微觀世界，粒粒皆奇
無論是在DNA、蛋白質等生命大分子中
還是在更細微的原子、量子水平上
新的突破和進展不斷湧現
今天凌晨
Nature官網釋出多篇論文
北京大學未來技術學院何愛彬團隊北京大學物理學院孫慶豐團隊
同一時間在Nature分別發文
從不同的研究視角揭示粒子的秘密
實現胚胎髮育譜系追蹤
北京大學何愛彬團隊《胚胎譜系追蹤的基因組覆蓋單細胞組蛋白修飾》一文發表於Nature
2月26日，北京大學何愛彬團隊在《自然》（Nature）雜誌線上發表了題為“Genome-coverage single-cell histone modifications for embryo lineage tracing ”（胚胎譜系追蹤的基因組覆蓋單細胞組蛋白修飾）的文章。該研究開發了具有全基因組覆蓋度的單細胞組蛋白修飾檢測新技術TACIT和CoTACIT，首次構建了小鼠胚胎植入前連續時間多維組蛋白修飾圖譜，建立了表觀細胞譜系樹。
恰似胚胎髮育細胞命運決定：從單一受精卵起始，經歷二細胞期、四細胞期的有序分裂，最終形成譜系分明的生命藍圖。在這個精妙的生物學“太極分化”過程中，表觀遺傳重程式設計之手，精密控制合子基因組啟用（ZGA）、全能性維持與失去、細胞命運異質化、第一次細胞命運決定和細胞譜系形成等程序。
雖然此前之前已有研究利用少量細胞ChIP-seq技術揭示了哺乳動物著床前胚胎細胞發生劇烈染色質狀態——組蛋白修飾重程式設計。但能否突破傳統遺傳譜系示蹤和單細胞轉錄組等手段不足之處，建立時間分辨的單細胞全基因組精度、多模態組蛋白修飾以解析胚胎髮育細胞譜系與關鍵表觀基因組調控仍尚未可知。
在新研究中，何愛彬團隊闡明瞭胚胎從合子到囊胚階段單細胞解析度的表觀基因組控制機制，精準確定全能性定義的特徵組蛋白修飾與調控元件，並鑑定了調控全能性退出和第一次細胞命運預決定的關鍵轉錄因子及轉座元件，為理解早期胚胎髮育分子與細胞調控提供了全景表觀新視角。
傳統單細胞組蛋白修飾檢測技術受限於起始樣本量和解析度，難以應用於低起始量的早期胚胎樣本。何愛彬團隊開發的TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）技術，透過系列最佳化，包括甲醇固定、提高Protein A-Tn5轉座酶活、單管反應防止細胞與DNA丟失，從而將單細胞有效讀段數提升近50倍,實現早期胚胎單個細胞捕獲讀段數的中位數達492,556。且該技術可適配低至20個細胞的起始量，訊號噪聲比顯著優於現有方法（包括團隊之前開發的itChIP-seq和CoBATCH，以及Cut&Tag類似方法）。團隊還進一步開發了單細胞表觀多組學技術CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented），實現著床前胚胎同一細胞中多種組蛋白修飾聯合檢測。
透過TACIT和CoTACIT技術，研究者繪製了小鼠著床前胚胎3,749個細胞的全基因組六種組蛋白修飾（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3和H3K9me3）和一種組蛋白變體H2A.Z的動態染色質修飾圖譜，捕獲了包含啟動子、增強子、基因體、異染色質和組蛋白變體的幾乎所有功能調控元件。研究者進一步以scRNA-seq資料為紐帶整合了多模態組蛋白修飾資料，藉助ChromHMM分析框架，構建了小鼠早期胚胎染色質狀態動態景觀。
多模態整合分析流程圖
同樣，“世界上也沒有兩個完全相同的細胞”。即便在形態均質的二細胞胚胎階段，表觀遺傳異質性已啟動細胞命運決定的"分水嶺"。研究團隊發現，在二細胞胚胎中H3K27ac等活性修飾已呈現顯著細胞間異質性。透過胚胎條形碼TACIT技術追蹤同一胚胎內兩個細胞的表觀特徵，證實約31%-45%的二細胞胚胎存在胚胎內表觀差異。且這種異質性與ZGA啟用程度密切相關。多模態分析結果顯示，受精卵和ZGA啟用程度低的二細胞（2cell_1）基因組中含有多價態染色質狀態（同時結合六種組蛋白修飾），而ZGA啟用程度高的二細胞（2cell_2）中不存在。
胚胎條形碼TACIT檢測胚胎內異質性
進一步地，研究者用多模態整合後的染色質狀態資訊定義細胞型別，以探究細胞命運的表觀貢獻。研究者利用機器學習鑑定了2,583個全能性特徵基因組區域，其中31%與已知全能性基因重疊，41%富含轉座元件（如MERVL），而後他們分析這些全能性特徵基因組區域富集的轉錄因子基序，並透過CRISPRa實驗證實，新發現CEBPG、LBX1和ESR1等轉錄因子可誘導胚胎幹細胞向全能性狀態轉化。
除此之外，研究者鑑定了ICM和TE特化相關的表觀基因組調控區域，併成功預測了囊胚階段前細胞的ICM和TE譜系分化傾向性（圖3）。siRNA實驗驗證篩選出之前未報道與ICM和TE特化相關的轉錄因子：YY2、CEBPB、SMAD2和HNF4A調控ICM特徵，而KLF6和HIF1A驅動TE分化。有趣的是，研究者發現早期胚胎在四細胞時期就具有明顯的譜系傾向。
譜系相關調控區域和轉錄因子
該研究透過新技術整合繪製了小鼠從合子到囊胚發育過程中包含六種組蛋白修飾的時間解析度的單細胞表觀譜系樹，揭示了胚胎內部細胞異質性產生以及第一次命運預決定的表觀機制，為胚胎髮育與細胞命運調控研究提供了一個新正規化。
該研究不僅為早期胚胎髮育機制提供了全新認知，相關研究思路還可拓展至人類疾病（如腫瘤異質性產生的表觀機制）和再生醫學領域。
北京大學未來技術學院博士生劉敏、陳旭斌以及吉林大學第一醫院嶽晏竹教授為論文共同第一作者。北京大學未來技術學院，北京大學-清華大學生命科學聯合中心，北京大學成都前沿交叉生物技術研究院和北京大學腫瘤醫院何愛彬教授為本文通訊作者。清華大學生命科學學院張強鋒教授和團隊博士研究生田康和李雨哲對本研究提供了支援和幫助。該研究獲得了科技部幹細胞專項、國家自然科學基金委的和生命科學聯合中心的支援。
人造原子的軌道雜化
北京大學物理學院量子材料科學中心孫慶豐教授課題組《石墨烯人造原子中的軌道雜》一文發表於Nature
同一天，北京大學物理學院量子材料科學中心孫慶豐教授課題組與北京師範大學物理與天文學院何林教授課題組緊密合作，在《自然》（Nature）雜誌發表以“Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”（石墨烯人造原子中的軌道雜化）為題的文章，首次在人造原子中實現了軌道雜化。
自然界中的物質是由原子組成。在原子結合構成物質時，有兩個至關重要過程：一是原子內發生軌道雜化，二是原子間化學鍵形成。量子點也被稱作人造原子，其由於受限效應而形成不同軌道的束縛態，與真實原子的軌道十分相似，被研究人員用來模擬真實原子的特徵。
目前，人造原子（即量子點）已經很好地模擬出真實原子間的化學鍵形成。包括孫慶豐課題組和何林課題組在內，研究人員透過量子點之間的耦合，已經在各種體系的量子點中實現了成鍵態、反鍵態等真實鍵態的對應。
近年來，孫慶豐課題組和何林課題組合作，在受限石墨烯體系取得了一系列重要成果：在雙層石墨烯量子點中，透過施加磁場誘導貝里相位連續變化和實現谷自由度的調控。在單層石墨烯中，透過應力引起的贗磁場和真磁場共同作用實現受限谷態調控。透過旋轉非對稱受限勢引起不同角動量態間的散射，並結合貝里相位，實現谷間散射波前位錯的單、雙調控。在單層石墨烯量子點中發現了原子塌縮態和迴音壁態的共存；更進一步，透過耦合兩個量子點，提出和實現原子塌縮態、分子塌縮態、到迴音壁態的相互演化；以及連續調控兩個量子點間的距離，從而系統地給出分子態特性。另外，在單個量子點中透過引入勢壘也實現了分子態。
然而，原子構成物質的另一個關鍵過程——軌道雜化卻未曾被人造原子模擬出來。
針對這一空白，孫慶豐教授組發展了人造原子中軌道雜化的理論，提出人造原子的各向異性勢可以讓其能量相近的不同軌道受限態之間發生雜化。他們具體地指出，如果在石墨烯量子點中將圓形勢場變形為橢圓形勢場，軌道量子數m=0的s軌道和軌道量子數m=2的d軌道之間將會發生雜化，重新組合成兩個新的雜化態。
上半部分：真實原子中的（a）未雜化的軌道和（b）sp2軌道雜化示意圖
下半部分：人造原子中的（c）圓形勢場和（d）橢圓形勢場示意圖
孫慶豐教授課題組從解析推導和數值計算兩方面得到了雜化態的形狀（θ形和倒θ形）。何林教授課題組在實驗上對各種橢圓形量子點中的受限態進行探測，直接觀測到軌道雜化特徵。
實驗和理論相互印證，共同證實了橢圓形石墨烯量子點中確實發生了軌道雜化。這種雜化是原子塌縮態和迴音壁態之間的重組，雜化後的態同時包含原子塌縮態和迴音壁態的成分。
儘管原子塌縮現象是量子電動力學中預測的重要現象，而回音壁效應是聲學中的效應，二者被認為有完全不同的物理機理，但是這一工作揭示了兩者之間的深刻聯絡。此外，隨著量子點的形變逐漸增強，雜化強度逐漸提高，於是兩個雜化態的能量逐漸劈開。這點從實驗測量和理論計算方面都得到了證實。
（a,b）數值計算的雜化態（θ形和倒θ形）
（c,d）實驗觀測到的雜化態
（e）雜化態隨量子點形變增強而發生能量劈裂
北京大學物理學院量子材料科學中心2020級博士研究生毛嶽、北京師範大學博士研究生任慧瑩和周嘯峰為文章的共同第一作者。北京大學孫慶豐教授、北京師範大學何林教授和北京師範大學博士後任雅寧為文章的共同通訊作者。該工作的合作者還有北京大學博雅博士後莊鈺晨、北京師範大學研究生盛浩和肖雲浩。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士後科學基金會以及北京師範大學的經費支援。
本文轉自“北京大學”微信公眾號