近日，上海科技大学生命科学与技术学院李夏军课题组在国际学术期刊iScience发表研究成果论文，报道了胚胎干细胞中DNA甲基化表观遗传修饰维持模式。
DNA甲基化是直接发生在遗传物质DNA上最常见也是最重要的表观遗传修饰。它普遍存在于生物界，在基因转录、逆转录病毒重复序列沉默、印记基因单等位基因表达、染色体结构和包括癌症等人类疾病中都有重要的功能。高等动物主要有3个DNA甲基化转移酶（DNMT1, DNMT3A, DNMT3B）。DNA在复制过程中需要维持原有的DNA甲基化表观遗传修饰，保证细胞扩增时遗传性状不会改变。但DNA甲基化的维持模式还不清楚，尤其对印记基因调控区(ICR)的DNA甲基化维持缺乏了解。
得益于团队此前建立的用基因编辑技术快速获得缺失突变体胚胎干细胞克隆的方法，研究团队获得了缺失3个DNA甲基化转移酶的突变体胚胎干细胞(ES)克隆，然后采用亚硫酸限制性内切酶联合分析(COBRA)和全基因组甲基化分析(WGBS)，发现了胚胎干细胞中DNA甲基化维持模式。
研究发现这3个DNA甲基化转移酶在胚胎干细胞基因组DNA的许多区域共同维持DNA甲基化，其中包括逆转录病毒重复序列和基因区域的DNA甲基化等。高等动植物中几百个印记基因呈现由亲本来源决定的单等位基因表达特性，这种表达模式是受印记基因调控区(ICR)的差异性DNA甲基化调控。在胚胎干细胞中，多数ICR的差异性DNA甲基化主要由DNMT1维持。有意思的是，一部分ICR的差异性DNA甲基化在胚胎干细胞中也受这3个DNA甲基化转移酶共同维持，而且在有些ICR区域，DNMT3A和DNMT3B对差异性DNA甲基化的维持比DNMT1更重要。研究还发现印记基因关键调控因子ZFP57的缺失将导致绝大部分ICR的差异性DNA甲基化在胚胎干细胞中发生缺失。研究人员还发现，高等动物中3个去甲基化酶（TET1, TET2, TET3）的主动去甲基化对胚胎干细胞中ICR的DNA甲基化动态维持没有很重要作用。上述分子机制都是在这项研究中首次发现。
图1. DNA甲基化转移酶(DNMT)共同维持胚胎干细胞的DNA甲基化表观遗传修饰。
胚胎干细胞（ES cells）和诱导干细胞(iPS cells)具有多能性和几乎无限的扩增能力，可以分化成各种类型细胞。它们是细胞治疗的理想材料，将来有希望被应用于老年痴呆症等退行性疾病。印记基因是高等动物正常发育所必需的，它们的异常表达可以引起各种疾病。这项研究成果为将来获得有稳定DNA甲基化修饰和正常印记基因表达的胚胎干细胞打下基础。
该论文题为“DNA methyltransferases are complementary in maintaining DNA methylation in embryonic stem cells”（DNA甲基化转移酶在胚胎干细胞中共同维持DNA甲基化表观遗传修饰）。上海科技大学李夏军课题组2018级博士生刘郁涵、2022级博士生徐圳、2020级博士生史佳佳、2021级硕士研究生杨淑婷以及清华大学颉伟课题组张宇为共同第一作者。李夏军是通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。此项研究还得到上海交通大学医学院林浩东教授、中国科学院生物细胞研究所的徐国良研究员和李劲松研究员的帮助。
论文链接： https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105003