中科院分子細胞科學卓越創新中心童明漢組聯合復旦大學、北京大學團隊共同揭示精子發生的表觀遺傳調控機制

3月4日，國際學術期刊Cell Research線上發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心童明漢組、復旦大學藍斐團隊和北京大學湯富酬團隊的最新研究成果：“SETD1B-Mediated Broad H3K4me3 Controls Proper Temporal Patterns of Gene Expression Critical for Spermatid Development”。該研究透過繪製小鼠精子發生全過程的高解析度表觀遺傳圖譜，系統闡述了表觀遺傳修飾在精子發生過程中的動態變化規律，揭示了不同發育階段基因沉默機制的多樣性，闡明瞭SETD1B介導的broad H3K4me3在精子細胞發育中的關鍵作用。

精子發生是雄性生殖細胞發育的核心過程，依賴於基因表達的精確調控。然而，由於睪丸組織的複雜性，此前對精子發生過程中基因表達調控的細節尚不清晰。童明漢團隊曾透過熒游標記小鼠和精子發生同步化技術，建立了分離高純度、任意發育階段生精細胞的策略，並與藍斐團隊、湯富酬團隊、李勁松團隊合作，先後繪製了精子發生過程的單細胞轉錄組圖譜和減數分裂中DSB命運決定的表觀遺傳圖譜。這些工作為深入研究精子發生調控機制提供了重要的基礎。

表觀遺傳修飾透過動態調控基因的啟用與抑制，被認為在精子發生過程中發揮重要調控作用。然而，該過程中表觀遺傳修飾譜的動態變化及其功能機制尚未被系統地研究過。在最新研究中，團隊構建了首個覆蓋小鼠精子發生全過程的高解析度表觀遺傳圖譜，涵蓋7種組蛋白修飾（H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3、H3K27me3、H3K9me2、H3K9me3、H3K36me3）、DNA甲基化和染色質可及性；全面而系統地展示了精子發生過程中轉錄組變化和染色質重塑的表觀遺傳學基礎。

研究發現，在抑制型組蛋白修飾中，H3K27me3和H3K9me2在有絲分裂向減數分裂轉換及減數分裂重組完成過程中發生了兩次重排。第一次重排始於B型精原細胞，表現為H3K9me2顯著增加和H3K27me3全域性丟失，而H3K9me3保持穩定。這種變化可能與減數分裂基因的沉默有關，尤其在不活躍基因上更為顯著。第二次重排發生在中偶線期粗線期精母細胞（mP），此時H3K9me2全域性性丟失，而H3K27me3迅速重新建立，標記那些在mP階段前由H3K4me3覆蓋、但在mP階段後需要沉默的基因。這表明不同發育階段的基因沉默由不同的表觀遺傳機制介導。

在活躍型組蛋白修飾中，H3K4me3和H3K27ac的變化顯著高於其他修飾，尤其是在圓形精子階段。研究發現，圓形精子階段的H3K4me3升高主要以“broad H3K4me3”形式存在，寬度通常大於5 kb，遠超常規H3K4me3修飾（約1-2 kb）。Broad H3K4me3主要修飾精子形成關鍵基因的啟動子/增強子區域，與基因的高表達密切相關，並在人類精子細胞中高度保守。

進一步研究利用條件性基因敲除小鼠模型證實，SETD1B是特異性介導broad H3K4me3的修飾酶，其敲除導致雄性不育。機制研究表明，broad H3K4me3修飾能夠招募更多的RNA聚合酶II（Pol II）和轉錄前起始複合物（PIC）成分，促進基因的高效表達。SETD1B缺失時，broad H3K4me3修飾消失，導致Pol II和PIC組分重新分佈到常規的typical H3K4me3修飾區域，使得原本應在特定階段高效表達的基因無法正常表達，而不表達的基因卻錯誤地高表達，影響了基因表達的時序性。

綜上所述，本研究構建了首個覆蓋小鼠精子發生全過程的高解析度表觀遺傳圖譜，全面而系統地揭示了精子發生過程中轉錄組變化和染色質重塑的表觀遺傳學基礎，為精子生物學研究領域提供了全面完整的表觀遺傳學基礎資料，為生殖生物學和表觀遺傳學的研究提供了新的研究方向和思路。而SETD1B介導的broad H3K4me3修飾的發現及其功能闡述，為表觀遺傳修飾如何協調發育過程中基因轉錄時序性提供了重要見解。

分子細胞卓越中心林震博士，復旦大學榮博文博士、呂瑞途博士為文章的共同第一作者；童明漢研究員、藍斐教授、湯富酬教授、呂瑞途博士為共同通訊作者。該研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委等的支援；分子細胞卓越中心動物實驗技術平臺為本工作提供了支援。