全基因組DNA甲基化和轉錄組分析揭示水牛胚胎基因組激活進展
水牛（Bubalus bubalis）是熱帶和亞熱帶地區重要的經濟動物，但水牛產業的發展受到但其低繁殖力的極大限制。體外胚胎生產（in vitro embryo production，IVEP）和體細胞核移植（somatic cell nuclear transfer，SCNT）等胚胎生物技術可以加速水牛的遺傳育種，并促進水牛產業的發展。然而，低囊胚發育率（26.5%–39.48%）影響了其廣泛應用。受精后，受精卵將發生卵裂，其發育將從母體過渡到合子，這一過程稱為母源-合子轉換（maternal-to-zygotic transition，MZT），與胚胎基因組激活（embryonic genome activation，EGA）相關。植入前胚胎在MZT過程中經歷轉錄和表觀遺傳重編程高度變化。探索水牛植入前胚胎發育（pre-implantation embryo development，PED）與EGA相關分子機制具有重要意義。但水牛EGA過程中發生的轉錄和表觀遺傳復雜調控機制仍不清楚。
2023年7月11日，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室(廣西大學) 伏彭輝博士和中國農業科學院深圳農業基因組研究所張杜博士為并列第一作者，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室(廣西大學)石德順教授和中國農業科學院深圳農業基因組研究所高飛研究員為共同通訊作者，在《J Anim Sci Biotechnol》雜志發表題為“Whole-genome transcriptome and DNA methylation dynamics of pre-implantation embryos reveal progression of embryonic genome activation in buffaloes”的研究論文。該研究通過對水牛的生發泡（germinal vesicle，GV）卵母細胞、中期Ⅱ（metaphase II，MII）卵母細胞以及體外受精（in vitro fertilization，IVF）胚胎的7個關鍵階段（受精卵、2細胞、4細胞、8細胞、16細胞、桑椹胚和囊胚內細胞團(inner cell mass ，ICM)）進行單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞全基因組重亞硫酸鹽測序（scWGBS）分析，繪制了水牛植入前胚胎的轉錄組和DNA甲基化圖譜。構建了水牛植入前胚胎發生的完整基因表達時間序列，闡明了水牛MZT過程中的EGA和遺傳程序，鑒定了水牛MZT過程中關鍵的轉錄特征和表觀遺傳修飾，并深入了解了與EGA相關的分子機制。
發表日期：2023年07月11日
影響因子：IF 7
技術：單細胞全基因組重亞硫酸鹽測序（scWGBS）、單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）等
研究摘要
在哺乳動物植入前胚胎發育（PED）過程中，母源-合子轉換（MZT）過程通過表觀遺傳修飾和基因表達來調控，并與胚胎基因組激活（EGA）有關。在MZT期間，胚胎對環境敏感，易在體外停滯。然而，水牛EGA的發生時間和調控機制尚不清楚。
本研究對水牛植入前胚胎進行基于單細胞的RNA-seq和全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），以繪制轉錄組和DNA甲基化圖譜。水牛PED過程中分為四個典型的發育階段。通過基因表達和DNA甲基化變化綜合分析，在16細胞期鑒定出水牛的主要EGA。通過加權基因共表達網絡分析（WGCNA）揭示了水牛母源-合子轉換過程中的階段特異性模塊，并進一步揭示了關鍵信號通路和生物過程事件。這些通路的程序化和持續激活促進了水牛EGA成功。此外研究結果還表明hub基因CDK1在水牛EGA中起關鍵作用。
本研究繪制了水牛PED中的轉錄組和DNA甲基化圖譜，并深入揭示了水牛EGA的分子機制和水牛MZT期間的遺傳編程，這將為改善水牛胚胎的體外發育奠定基礎。
研究結果
（1）水牛植入前胚胎發育（PED）過程中的轉錄組圖譜
（2）水牛PED過程中的DNA甲基化圖譜
（3）WGCNA鑒定階段特異性共表達模塊
（4）水牛EGA過程中的遺傳程序動態變化
圖4：主要EGA前富集KEGG通路的互作網絡。六邊形：2細胞期；矩形：4細胞期；三角形：8細胞期
（5）關鍵hub基因的鑒定
研究結論：
本研究利用單細胞RNA-seq和單細胞WGBS技術對水牛卵母細胞和植入前胚胎的全基因組轉錄組和DNA甲基化進行了測序分析，繪制了水牛胚胎發生過程中的全基因組轉錄組和DNA甲基化圖譜。根據基因表達的動態特征和DNA甲基化變化，揭示了水牛主要EGA發生在胚胎發育的16細胞期。在水牛MZT過程中，hub基因和信號通路的順序激活對于水牛EGA和水牛PED的遺傳編程至關重要。本研究為了解水牛胚胎發生的分子機制提供重要的補充信息，并為改善水牛胚胎的體外發育奠定了基礎。
參考文獻：
Fu P, Zhang D, Yang C, Yuan X, Luo X, Zheng H, Deng Y, Liu Q, Cui K, Gao F, Shi D. Whole-genome transcriptome and DNA methylation dynamics of pre-implantation embryos reveal progression of embryonic genome activation in buffaloes. J Anim Sci Biotechnol. 2023 Jul 11;14(1):94.
2023年7月11日，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室(廣西大學) 伏彭輝博士和中國農業科學院深圳農業基因組研究所張杜博士為并列第一作者，亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室(廣西大學)石德順教授和中國農業科學院深圳農業基因組研究所高飛研究員為共同通訊作者，在《J Anim Sci Biotechnol》雜志發表題為“Whole-genome transcriptome and DNA methylation dynamics of pre-implantation embryos reveal progression of embryonic genome activation in buffaloes”的研究論文。該研究通過對水牛的生發泡（germinal vesicle，GV）卵母細胞、中期Ⅱ（metaphase II，MII）卵母細胞以及體外受精（in vitro fertilization，IVF）胚胎的7個關鍵階段（受精卵、2細胞、4細胞、8細胞、16細胞、桑椹胚和囊胚內細胞團(inner cell mass ，ICM)）進行單細胞RNA測序（scRNA-seq）和單細胞全基因組重亞硫酸鹽測序（scWGBS）分析，繪制了水牛植入前胚胎的轉錄組和DNA甲基化圖譜。構建了水牛植入前胚胎發生的完整基因表達時間序列，闡明了水牛MZT過程中的EGA和遺傳程序，鑒定了水牛MZT過程中關鍵的轉錄特征和表觀遺傳修飾，并深入了解了與EGA相關的分子機制。
標題：Whole-genome transcriptome and DNA methylation dynamics of pre-implantation embryos reveal progression of embryonic genome activation in buffaloes（植入前胚胎的全基因組轉錄組和DNA甲基化動態變化揭示了水牛胚胎基因組激活進展）
發表期刊：Journal of Animal Science and Biotechnology 發表日期：2023年07月11日
影響因子：IF 7
技術：單細胞全基因組重亞硫酸鹽測序（scWGBS）、單細胞轉錄組測序（scRNA-seq）等
研究摘要
在哺乳動物植入前胚胎發育（PED）過程中，母源-合子轉換（MZT）過程通過表觀遺傳修飾和基因表達來調控，并與胚胎基因組激活（EGA）有關。在MZT期間，胚胎對環境敏感，易在體外停滯。然而，水牛EGA的發生時間和調控機制尚不清楚。
本研究對水牛植入前胚胎進行基于單細胞的RNA-seq和全基因組重亞硫酸鹽測序（WGBS），以繪制轉錄組和DNA甲基化圖譜。水牛PED過程中分為四個典型的發育階段。通過基因表達和DNA甲基化變化綜合分析，在16細胞期鑒定出水牛的主要EGA。通過加權基因共表達網絡分析（WGCNA）揭示了水牛母源-合子轉換過程中的階段特異性模塊，并進一步揭示了關鍵信號通路和生物過程事件。這些通路的程序化和持續激活促進了水牛EGA成功。此外研究結果還表明hub基因CDK1在水牛EGA中起關鍵作用。
本研究繪制了水牛PED中的轉錄組和DNA甲基化圖譜，并深入揭示了水牛EGA的分子機制和水牛MZT期間的遺傳編程，這將為改善水牛胚胎的體外發育奠定基礎。
圖形摘要
研究結果
（1）水牛植入前胚胎發育（PED）過程中的轉錄組圖譜
圖1：水牛PED過程中的轉錄組圖譜
- 水牛卵母細胞和胚胎的顯微圖像。上圖為卵母細胞/胚胎及其透明帶。下圖為無透明帶的卵母細胞/胚胎。從1到9：GV卵母細胞、MII卵母細胞、受精卵、2細胞、4細胞、8細胞、16細胞、桑椹胚、囊胚（下圖中ICM從胚泡中分離）。
- 所有發育階段轉錄本的主成分分析（PCA）。
- 無監督分層聚類和重復樣本的熱圖。
- 水牛PED過程中連續發育階段的DEG數量。
- 每個胚胎發育階段母體基因表達抑制的數量。
- 每個胚胎發育階段首次表達基因數量
（2）水牛PED過程中的DNA甲基化圖譜
圖2：水牛PED過程中的DNA甲基化圖譜
- 每個發育階段的全基因組CpG甲基化水平。
- CpG平均甲基化水平（基因體±5 kb）。
- 每個發育階段CpG不同甲基化水平分布百分比。
- 水牛PED過程中連續發育階段的DMR數量。
- 幾個成對比較中，全基因組中的DMR分布（a：GV卵母細胞與MII卵母細胞；b：MII卵母細胞與受精卵；c：受精卵與2細胞；d：2細胞與4細胞；e：4細胞與8細胞；f：8細胞與16細胞；g：16細胞與桑椹胚；h：桑椹胚與ICM）。
- 以8細胞期為例，CpG甲基化水平與不同表達水平（高、中、低和不表達）相關的變化趨勢
（3）WGCNA鑒定階段特異性共表達模塊
圖3：利用WGCNA進行階段特異性基因共表達分析
- 共表達基因模塊的聚類樹狀圖。
- 共表達模塊與胚胎發育階段之間相關性的熱圖。
- 水牛PED過程中發育步驟示意圖
（4）水牛EGA過程中的遺傳程序動態變化
圖5：16細胞期的富集通路和重要KEGG通路分析
- KEGG通路在16細胞期富集。
- 水牛PED過程中關鍵通路的全基因組激活
（5）關鍵hub基因的鑒定
圖6：MZT過程中關鍵hub基因的鑒定
- 十大hub基因列表。
- EGA過程中CDK1的調控通路和相關hub基因。
圖7：CDK1富集生物過程的表達熱圖
研究結論：
本研究利用單細胞RNA-seq和單細胞WGBS技術對水牛卵母細胞和植入前胚胎的全基因組轉錄組和DNA甲基化進行了測序分析，繪制了水牛胚胎發生過程中的全基因組轉錄組和DNA甲基化圖譜。根據基因表達的動態特征和DNA甲基化變化，揭示了水牛主要EGA發生在胚胎發育的16細胞期。在水牛MZT過程中，hub基因和信號通路的順序激活對于水牛EGA和水牛PED的遺傳編程至關重要。本研究為了解水牛胚胎發生的分子機制提供重要的補充信息，并為改善水牛胚胎的體外發育奠定了基礎。
參考文獻：
Fu P, Zhang D, Yang C, Yuan X, Luo X, Zheng H, Deng Y, Liu Q, Cui K, Gao F, Shi D. Whole-genome transcriptome and DNA methylation dynamics of pre-implantation embryos reveal progression of embryonic genome activation in buffaloes. J Anim Sci Biotechnol. 2023 Jul 11;14(1):94.
標簽：
全基因組甲基化
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