南湖新闻网讯（通讯员 孙巧然 张晶晶）近日，我校动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授领衔的动物克隆与干细胞研究团队研究成果以“Histone methyltransferases MLL2 and SETD1A/B play distinct roles in H3K4me3 deposition during the transition from totipotency to pluripotency”为题在EMBO Journal发表。研究揭示了组蛋白甲基转移酶MLL2和SETD1A/B在胚胎细胞由全能性向多能性转变过程中对H3K4me3建立和胚胎发育的不同调控作用。
组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）是真核生物中高度保守的表观遗传修饰之一，广泛参与细胞分化、发育及疾病发生等生物学过程。在哺乳动物中，H3K4me3由SET1/MLL复合体催化建立，该复合体包括多种H3K4甲基转移酶（SETD1A、SETD1B、MLL1和MLL2）及多个必要蛋白亚基。尽管H3K4me3是活跃基因启动子上的标志性修饰，但其在基因表达调控中的功能仍未完全阐明，尤其是在哺乳动物早期胚胎中，H3K4me3的分布模式发生了显著的重编程：在合子基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）之前呈现与转录沉默相关的非经典模式，而在ZGA期间转变为与活跃基因启动子相关的经典模式。然而，这两种H3K4me3分布模式的形成机制及其调控功能仍不明确。
▲MLL2与SETD1A/B通过调控H3K4me3建立影响早期胚胎发育
研究人员首先通过分析小鼠早期胚胎的转录组和翻译组数据，确定了胚胎中主要表达H3K4甲基转移酶MLL2和SETD1A。随后，分别敲低Mll2和Setd1a/b（单独敲低Setd1a会引发Setd1b的代偿表达），并在ZGA前的早2细胞期、ZGA发生的晚2细胞期以及ZGA后的桑椹胚期检测H3K4me3的富集变化。结果显示，MLL2不仅负责ZGA前非经典H3K4me3的建立，还参与ZGA期间经典H3K4me3的形成，而SETD1A/B则主要负责ZGA后经典H3K4me3的建立。此外，使用转录抑制剂短时处理晚2细胞胚胎和桑椹胚，结果显示该处理显著降低了ZGA后由SETD1A/B介导的H3K4me3建立，但对ZGA期间由MLL2介导的H3K4me3建立无影响。基于此，研究人员将胚胎中H3K4me3分为两种类型：MLL2催化的转录独立型（Transcription-independent）H3K4me3和SETD1A/B催化的转录依赖型（Transcription-dependent）H3K4me3。
研究人员进一步探究了转录独立型和转录依赖型H3K4me3在小鼠早期胚胎发育中的功能。首先，无论是敲低Mll2和过表达Kdm5b以降低早2细胞期的非经典H3K4me3富集，还是敲低Kdm5b和使用KDM5抑制剂来增加晚2细胞期的非经典H3K4me3富集，都不会影响胚胎整体的基因表达。此外，晚2细胞期经典H3K4me3富集的增加或减少对ZGA基因表达的影响微乎其微，这些结果表明MLL2催化的转录独立型H3K4me3在胚胎全能性阶段存在非指导性作用。然而，通过敲低Setd1a/b或使用KDM5抑制剂改变ZGA后胚胎的H3K4me3富集，这会显著影响决定细胞命运谱系分化的关键基因表达，并导致囊胚发育受损。因此，由SETD1A/B催化的转录依赖型H3K4me3在调控胚胎多能性建立和植入前囊胚形成过程中发挥了重要作用。
上述研究结果揭示了早期胚胎在从细胞全能性向多能性转变过程中，MLL2和SETD1A/B通过接力方式介导H3K4me3富集动态转变的机制，这为解析早期胚胎发育的表观遗传调控机制提供了新的科学依据。
华中农业大学动物科学技术学院、动物医学院苗义良教授和刘鑫副研究员为论文共同通讯作者，博士研究生张晶晶和孙巧然为论文共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研专项资金等项目的资助。
审核人：苗义良
【英文摘要】
In early mammalian embryogenesis, a shift from non-canonical histone H3 lysine 4 trimethylation (H3K4me3) linked to transcriptional repression to canonical H3K4me3 indicating active promoters occurs during zygotic genome activation (ZGA). However, the mechanisms and roles of these H3K4me3 states in embryogenesis remain poorly understood. Our research reveals that the histone methyltransferase MLL2 is responsible for installing H3K4me3 (both non-canonical and canonical) in totipotent embryos, while a transition to SETD1A/B-deposited H3K4me3 occurs in pluripotent embryos. Interestingly, MLL2-mediated H3K4me3 operates independently of transcription, fostering a relaxed chromatin state conducive to totipotency rather than directly influencing transcription. Conversely, SETD1A/B-mediated H3K4me3, which depends on transcription, is crucial for facilitating expression of genes essential for pluripotency and pre-implantation development. Our findings highlight the role of the H3K4me3 transition, mediated by an MLL2-to-SETD1A/B relay mechanism, in the regulation of transition from totipotency to pluripotency during early embryogenesis.
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44318-024-00329-5
