中国科学家揭示人类早期胚胎染色体结构动态

北京时间12月5日凌晨2时，《自然》杂志刊发了中国科学院北京基因组研究所研究员刘江团队与中国科学院院士、山东大学附属生殖医院教授陈子江团队合作研究成果。

该研究首次揭示了人类早期胚胎中的染色体三维结构的动态变化，并发现CTCF蛋白对于早期胚胎发育中拓扑相关结构域（TAD结构）有着重要的调控功能，为进一步揭示人类胚胎发育机制提供了理论基础。

染色体三维结构是重要的表观遗传因素，与基因的表达调控密切相关。

染色体三维结构的动态变化影响着细胞功能的发挥、疾病的发生等。

人类个体发育从精卵结合形成受精卵开始，经历早期胚胎发育过程，由一个细胞逐渐分裂分化形成一个含有上百种细胞类型、多种器官的复杂有机体。

“人类精子和卵子受精后，细胞核中的染色体结构如何变化，哪些生物学分子会影响胚胎中的染色体结构变化，一直以来是未被解决的科学问题。

此外，精子在形态和功能上与其他终末分化的细胞截然不同，染色体在人类精子中如何压缩折叠还并不清楚。”论文第一作者、中国科学院北京基因组研究所特别研究助理陈雪鹏表示。

基因组染色体的三维结构由拓扑相关结构域（TAD）基本单元构成。

研究人员对精子及人类早期胚胎发育过程中的染色体结构动态变化情况进行了描绘。

研究结果显示，在成熟的人类精子中没有TAD结构并且没有检测到染色质调节蛋白CTCF，这与在小鼠精子中的情况完全不同。

受精后，胚胎中TAD结构非常模糊，在后续的胚胎发育中染色体逐渐建立清晰的TAD结构。

陈雪鹏指出，需要注意的是，不同于小鼠胚胎和果蝇胚胎，人类早期胚胎中阻断合子基因组激活（ZGA）可以抑制TAD结构的建立。

进一步研究发现，CTCF蛋白在合子基因组激活之前表达量非常有限，在TAD结构出现的合子基因组激活时期表达量会迅速上升。

在胚胎中敲低CTCF蛋白可以导致TAD结构显著变弱，这表明在合子基因组激活时CTCF蛋白的表达对于人类早期胚胎的TAD结构建立至关重要。

“该研究让我们深入了解人类精子和早期胚胎染色体结构的独特性，对改善试管婴儿技术、促进优生提供理论的基础。”刘江说。

他同时指出，当前该领域存在的瓶颈是，在少量细胞的情况下，染色体结构的分辨率较低。

“下一步，我们将不断优化方法，提高分辨率，并力争通过我们的研究，解决临床上的问题，造福人类。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-019-1812-0