DNA甲基化和组蛋白乙酰化对小鼠植入前胚胎发育能力影响的研究

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小鼠不同种类植入前胚胎发育能力不同,造成这种发育能力差异的原因很多,精子、供核细胞质量、体内外发育环境等都会影响胚胎发育。与发育相关基因的顺利表达,可以保障胚胎的正常发育。基因转录表达的程度不同,将会影响正常的相关转录产物生成,这种基因转录表达的差异,可能是由于胚胎表观遗传模式存在差异造成的。作为表观遗传模式中较为重要的两种修饰方式,DNA甲基化和组蛋白乙酰化的正常修饰对胚胎生长发育起到关键性的作用。不同种类的基因表达差异构成了细胞分化与生物进化的基础。组蛋白去乙酰化和组蛋白乙酰化通过启动子的开闭作用,达到促进或者抑制基因转录的目的。组蛋白乙酰化转移酶(Histone acetyltransferase,HAT)租组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylase,HDAC)在调控组蛋白修饰过程中,通过使乙酰化(Acetylation,ac)与去乙酰化(Deacetylation,dac)达到动态平衡来进一步影响染色质的结构及其生化机制,进而影响基因表达。本实验以自然胚为对照组,孤雌胚、体外培养胚、MEF克隆胚胎和iPS克隆胚胎为研究对象,探究DNA甲基化水平、H3K9乙酰化水平以及H3K27乙酰化水平对胚胎发育的影响。同时通过使用药物TSA,探讨TSA处理前后胚胎的乙酰化水平在人为改变培养环境的条件下是否可以发生改变,从而达到修正异常的表观遗传模式,进一步实现提高胚胎发育能力的目的。我们研究结果显示:  1.植入前不同时期的孤雌胚胎,其H3K9乙酰化水平比体内胚高。高水平的乙酰化修饰可能使本来应该沉默的基因启动子发生超乙酰化,造成基因异常表达从而导致胚胎发育潜能下降,这或许是影响孤雌胚胎发育能力不高的关键因素之一;  2.同品系的小鼠中,iPS细胞作为核供体获得的克隆胚胎发育能力比以MEF细胞作为核供体获得的克隆胚胎高,这可能是由于iPS细胞分化程度较低,易于被细胞核重编程;  3.以iPS作为供核细胞的不同克隆胚胎中,C57系和昆明白系小鼠的发育能力高于iCR系小鼠。这可能是由于iPS细胞来源于C57品系小鼠,不同品系的小鼠中存在着亲缘差异,影响胚胎中基因的转录,进而影响胚胎的正常发育。  4.不同的培养体系中,克隆胚胎的发育能力之间存在着差异。G1/G2培养基有利于克隆胚胎的生长发育,CZB/CZBG次之,M2/M16培养系统中胚胎发育能力最差。G1/G2培养基有利于克隆胚胎的生长发育,可能是由于通过激活胚胎相应的基因发生转录而不是抑制相关凋亡基因来促进胚胎的生长发育的。  5.在原核期,不同类型的胚胎H3K9乙酰化水平均较低。除孤雌胚组外,MEF克隆胚、iPS克隆胚与体内胚的H3K9乙酰化水平在2-细胞期都有所升高。这可能是由于克隆胚胎在原核期母源基因高表达,父源基因基本不表达所致,而到2-细胞期,父源母源基因都表达,胚胎中的相关转录因子发生基因重编程,进而影响胚胎的表观遗传模式。  6.MEF克隆胚和iPS克隆胚在2-细胞期的H3K27乙酰化水平与正常胚相比存在着差异(P<0.05),iPS克隆胚H3K27乙酰化水平最低(0.0967±0.01282),MEF克隆胚H3K27乙酰化水平次之。这可能是由于与克隆胚H3K27位点乙酰化的相关基因在2-细胞期时,因为合子基因组(ZGA)大量激活的缘故,短期内造成大量的促凋亡基因积累,使胚胎发育潜能下降。这也许是造成这两种克隆胚胎发育能力下降的因素之一。  7.异常的DNA甲基化水平不利于胚胎发育,孤雌胚、MEF克隆胚和iPS克隆胚在2-细胞期的DNA甲基化水平过高,导致早期胚胎发育异常,进而影响后期胚胎的正常发育。DNA甲基化水平异常可能是由于克隆胚的重编程过程中,基因转录发生异常,进而影响甲硫氨酸循环相关酶的活性发生改变,最终导致甲硫氨酸的合成减少,DNA甲基化的供体缺失,因而不能为正常的DNA甲基化的形成过程提供应有的甲基,进一步影响DNA甲基化水平。  8.药物TSA处理后,孤雌胚的发育能力得到提高。可能是TSA部分改善了由于胚胎对体外培养环境的不良所带来的影响,当然TSA提高H3K9乙酰化的水平可能也并不完全是通过K9这个位点来实现的。
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