（通訊員：孫巧然、張晶晶）近日，我院苗義良教授領銜的動物克隆與幹細胞研究團隊在EMBO Journal期刊上發表題為“Histone methyltransferases MLL2 and SETD1A/B play distinct roles in H3K4me3 deposition during the transition from totipotency to pluripotency”的研究論文，揭示了組蛋白甲基轉移酶MLL2和SETD1A/B在胚胎細胞由全能性向多能性轉變過程中對H3K4me3建立和胚胎發育的不同調控作用。

組蛋白H3第4位賴氨酸的三甲基化（H3K4me3）是真核生物中高度保守的表觀遺傳修飾之一，廣泛參與細胞分化、發育及疾病發生等生物學過程。在哺乳動物中，H3K4me3由SET1/MLL複合體催化建立，該複合體包括多種H3K4甲基轉移酶（SETD1A、SETD1B、MLL1和MLL2）及多個必要蛋白亞基。盡管H3K4me3是活躍基因啟動子上的标志性修飾，但其在基因表達調控中的功能仍未完全闡明，尤其是在哺乳動物早期胚胎中，H3K4me3的分布模式發生了顯著的重編程：在合子基因組激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）之前呈現與轉錄沉默相關的非經典模式，而在ZGA期間轉變為與活躍基因啟動子相關的經典模式。然而，這兩種H3K4me3分布模式的形成機制及其調控功能仍不明确。

研究人員首先通過分析小鼠早期胚胎的轉錄組和翻譯組數據，确定了胚胎中主要表達H3K4甲基轉移酶MLL2和SETD1A。随後，分别敲低Mll2和Setd1a/b（單獨敲低Setd1a會引發Setd1b的代償表達），并在ZGA前的早2細胞期、ZGA發生的晚2細胞期以及ZGA後的桑椹胚期檢測H3K4me3的富集變化。結果顯示，MLL2不僅負責ZGA前非經典H3K4me3的建立，還參與ZGA期間經典H3K4me3的形成，而SETD1A/B則主要負責ZGA後經典H3K4me3的建立。此外，使用轉錄抑制劑短時處理晚2細胞胚胎和桑椹胚，結果顯示該處理顯著降低了ZGA後由SETD1A/B介導的H3K4me3建立，但對ZGA期間由MLL2介導的H3K4me3建立無影響。基于此，研究人員将胚胎中H3K4me3分為兩種類型：MLL2催化的轉錄獨立型（Transcription-independent）H3K4me3和SETD1A/B催化的轉錄依賴型（Transcription-dependent）H3K4me3。

研究人員進一步探究了轉錄獨立型和轉錄依賴型H3K4me3在小鼠早期胚胎發育中的功能。首先，無論是敲低Mll2和過表達Kdm5b以降低早2細胞期的非經典H3K4me3富集，還是敲低Kdm5b和使用KDM5抑制劑來增加晚2細胞期的非經典H3K4me3富集，都不會影響胚胎整體的基因表達。此外，晚2細胞期經典H3K4me3富集的增加或減少對ZGA基因表達的影響微乎其微，這些結果表明MLL2催化的轉錄獨立型H3K4me3在胚胎全能性階段存在非指導性作用。然而，通過敲低Setd1a/b或使用KDM5抑制劑改變ZGA後胚胎的H3K4me3富集，這會顯著影響決定細胞命運譜系分化的關鍵基因表達，并導緻囊胚發育受損。因此，由SETD1A/B催化的轉錄依賴型H3K4me3在調控胚胎多能性建立和植入前囊胚形成過程中發揮了重要作用。

上述研究結果揭示了早期胚胎在從細胞全能性向多能性轉變過程中，MLL2和SETD1A/B通過接力方式介導H3K4me3富集動态轉變的機制，這為解析早期胚胎發育的表觀遺傳調控機制提供了新的科學依據。

圖 MLL2與SETD1A/B通過調控H3K4me3建立影響早期胚胎發育

yl7703永利苗義良教授和劉鑫副研究員為本文的共同通訊作者，博士生張晶晶和孫巧然為共同第一作者。該研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中央高校基本科研專項資金等項目的資助。

審核人：苗義良

原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s44318-024-00329-5