Panorama de la metilación del ADN en el desarrollo embrionario temprano humano
Paisaje de la metilación del ADN en el desarrollo embrionario temprano humano - Epigenética - Serie de desarrollo embrionario Parte 1
La metilación del ADN es una modificación epigenética importante en Desempeña un papel importante en una serie de procesos biológicos como como expresión de transcripción genética, mantenimiento de la impronta genética, inactivación del cromosoma X y expresión de elementos transposónicos.
Los cambios epigenómicos más dramáticos en los mamíferos ocurren durante el desarrollo en las células germinales primordiales y en los embriones previos a la implantación.
Para obtener el perfil de metilación del ADN de embriones humanos tempranos, los autores utilizaron tecnologías de secuenciación de metilación reducida de todo el genoma (RRBS) y secuenciación de metilación de todo el genoma (WGBS) para analizar gametos humanos y pre y Se estudiaron los perfiles de metilación del ADN postimplantación de los embriones.
Los materiales utilizados en este estudio son los siguientes:
Los materiales utilizados son cuerpos polares, ovocitos maduros y primeros cuerpos polares, cigotos, 2 células, 4 células, 8- celular, mórula, masa celular interna (ICM) y células del trofectodermo en etapa de blastocisto (TE), además de los espermatozoides.
La agrupación de los niveles de metilación del ADN en diferentes tipos de células muestra que los diferentes tipos de células tienen sus propias características de metilación únicas.
Por ejemplo: el estado de metilación entre los cuerpos polares y los ovocitos es similar, pero muy diferente de otros tipos de células; el estado de metilación de los espermatozoides es significativamente diferente de otros tipos de células- La metilación; El estado cambia relativamente suavemente durante el desarrollo de TE.
A nivel del cuerpo genético y en diferentes etapas de desarrollo, las transiciones de metilación de células de diferentes tipos y etapas de desarrollo cambian significativamente.
El borrado de la metilación en ratones se produce principalmente en el proceso de la célula cigoto-2, pero ¿cuáles son las características de la desmetilación y la reconstrucción de la metilación en el desarrollo embrionario humano? ¿Están sincronizados los cambios en los niveles de metilación en diferentes regiones genómicas?
Para promotores (HCP, ICP, LCP), islas CpG (CGI), exones (Exon), intrones (Intron), genes (Intragenic) y regiones intergénicas con diferentes contenidos de CpG. Los niveles de metilación de ( Intergénicos), elementos transponibles (subdivididos en SINE, LINE, LTR) y potenciadores (Enhancer), y se representaron los cambios en los niveles de metilación durante el desarrollo dinámico.
Los resultados encontraron que, en general, los cambios dinámicos en la metilación en diferentes regiones genómicas eran similares, lo que indica que los cambios de metilación en todo el genoma durante el desarrollo embrionario fueron consistentes y un proceso unificado. Sin embargo, también se puede encontrar que las regiones con alto CpG, como CGI y HCP, siempre han estado desmetiladas y el nivel de metilación es relativamente estable.
Además, compare los niveles de metilación del primer cuerpo polar y del segundo cuerpo polar. ¿El proceso de eliminación de los dos del ovocito tiene un impacto en el estado de metilación y si ellos mismos existen grandes diferencias? en los niveles de metilación.
Los resultados mostraron que los niveles de metilación del 1.º y 2.º cuerpo polar y del ovocito no fueron significativamente diferentes, lo que indica que no se produjo metilación de todo el genoma durante la extrusión del cuerpo polar del ovocito. .
Existen informes bibliográficos sobre los niveles de metilación del ADN no CpG en ovocitos de ratón, pero no hay informes relevantes en ovocitos humanos.
Al dibujar la curva de metilación sin CpG en los flancos del cuerpo del gen, se encontró que el nivel de metilación sin CpG es bajo, el nivel de metilación del cuerpo del gen es significativamente mayor que el de los flancos. , y el patrón de distribución general es consistente con el nivel de metilación de CpG. El patrón es similar.
Existen diferencias en los niveles de metilación de diferentes tipos de citosina. Entonces, ¿existe una relación entre el nivel de metilación del ADN y la densidad de citosina?
La metilación cambia dramáticamente durante el desarrollo embrionario. Entonces, ¿cuáles son las dinámicas de metilación de los genomas paterno y materno durante el proceso de desmetilación?
Se utilizó tecnología RRBS unicelular para secuenciar los pronúcleos paternos y maternos aislados y se analizaron los cambios dinámicos en los niveles de metilación del ADN.
Se puede observar que los cambios dinámicos en la metilación de los pronúcleos paternos y maternos son muy drásticos e inconsistentes.
El nivel de metilación de los espermatozoides en la etapa de gameto es ligeramente mayor que el de los ovocitos. Se produjeron cambios importantes decenas de horas después de la microinyección. Los niveles de metilación de la metilación pronuclear paterna y materna disminuyeron rápidamente. El grado de metilación es mayor y, en última instancia, el nivel de metilación de la fuente paterna es menor que el de la fuente materna, formando una inversión, que también se confirma mediante tinción de inmunofluorescencia.
A continuación, se analizaron las similitudes y diferencias de metilación en espermatozoides y ovocitos. Se utilizaron regiones de longitud fija (100 pb) para calcular los niveles de metilación de mosaicos en todo el genoma, y las regiones de alta metilación (≥75%) y baja metilación (≤25%) se analizaron por separado.
Al analizar las características de distribución de las regiones hipermetiladas e hipometiladas se encontró que las regiones hipermetiladas están significativamente enriquecidas en elementos transposones como SINE y LINE, que se utilizan para inhibir la actividad transcripcional de los elementos transponibles. Las regiones hipometiladas están enriquecidas en HCP, potenciadores, exones e islas CpG, que se utilizan para mantener el desarrollo embrionario.
Además, también se estudiaron las regiones metiladas diferencialmente (DMR) entre los ovocitos y los espermatozoides, y se identificaron 17.473 DMR específicos de espermatozoides y 12.145 óvulos, respectivamente.
A continuación, se discutió la relación entre la metilación del ADN y la modificación de histonas.
Los resultados encontraron que la región H3K27me3 en células madre embrionarias y estadios de ICM suele ser rica en metilación de ADN de bajo nivel, y también existe hipometilación en gametos y estadios intermedios de desarrollo.
A continuación, se discutió la relación entre la expresión génica y la metilación del ADN.
La correlación entre el nivel de metilación del cuerpo del gen y el promotor y el nivel de expresión del gen se calculó respectivamente. Los resultados encontraron que el nivel de metilación del gen y el promotor estaba relacionado negativamente con el nivel de expresión del gen. es una correlación, y la correlación negativa se vuelve cada vez mayor en etapas posteriores del desarrollo. Esto muestra que en varias etapas del borrado y reconstrucción de la metilación del ADN, la metilación del ADN promotor aún inhibirá la expresión de genes relacionados.
Finalmente, se discutió el mecanismo de cómo la metilación del ADN inhibe los elementos transponibles. Se discutieron las repeticiones intercaladas largas (LINE) y las repeticiones intercaladas cortas (SINE) comunes.
En las diferentes etapas del desarrollo, la expresión de elementos repetitivos se correlaciona negativamente con las regiones de metilación del ADN. En las primeras etapas del desarrollo embrionario, la metilación del ADN se borra y los niveles de expresión de los elementos repetitivos aumentan. Posteriormente, los niveles de metilación del ADN se reconstruyen y los niveles de expresión de los elementos repetitivos se suprimen fuertemente y se mantienen en un nivel bajo (Figura a, c). ). Además, los niveles promedio de metilación de Alu, MIR, L1 y L2 fueron consistentes con cambios en los niveles de metilación de todo el genoma.
Este artículo analiza los niveles de metilación del ADN de muestras de embriones humanos tempranos en diferentes etapas de desarrollo y estudia la relación entre la metilación del ADN, las modificaciones de histonas, la expresión génica y los elementos transponibles.
El nivel de metilación de todo el genoma sufre cambios drásticos en varias etapas del desarrollo embrionario temprano humano, desde la desmetilación hasta la reconstrucción por metilación; las células en diferentes etapas de desarrollo tienen sus propias regiones metiladas diferencialmente; diferentes correlaciones con diferentes tipos de modificaciones de histonas, diciendo que la metilación del ADN y los diferentes tipos de modificaciones de histonas regulan cada uno un conjunto de elementos transponibles y la metilación del ADN también está muy estrechamente relacionada, y además pasa por el proceso de borrado y reconstrucción; , el estado de metilación del ADN también afecta la expresión genética, especialmente la relación negativa entre la metilación de la región promotora y la expresión genética en el desarrollo tardío. La correlación aumenta significativamente.
En resumen, este artículo estudió sistemáticamente la metilación del ADN en diferentes etapas del desarrollo embrionario temprano humano, demostró la aparición de embriones humanos tempranos por primera vez y sentó las bases para futuros estudios en profundidad del desarrollo embrionario. mecanismos.
El panorama de la metilación del ADN de los primeros embriones humanos. NATURALEZA 2014. doi:10.1038/nature13544