克隆胚胎移植進(jìn)代孕母鼠體內(nèi)后，常常停止發(fā)育，胎死腹中。研究發(fā)現(xiàn)，一種從供體細(xì)胞核帶來(lái)的“印跡”缺失可能要對(duì)此負(fù)責(zé)。

7月19日，美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院張毅領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞·干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）刊發(fā)的一項(xiàng)研究指出，體細(xì)胞核移植克隆形成的胚胎中，原供體細(xì)胞核里的一種“印跡”的丟失可能導(dǎo)致了胚胎發(fā)育異常，存活率低。

“這一研究為我們理解體細(xì)胞核移植技術(shù)的成功率受到哪些限制做出了有用的貢獻(xiàn)。”英國(guó)發(fā)育生物學(xué)家、2012年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者約翰·格登（John Gurdon）告訴《知識(shí)分子》，“研究顯示，通過(guò)同時(shí)克服H3K27me3修飾和它的印跡造成的抑制，核移植胚胎的存活率可能大大提高。”

克隆的成功率一直很低，尤其在靈長(zhǎng)類動(dòng)物身上。今年年初報(bào)道的克隆猴“中中”、“華華”是低效率條件下存活的幸運(yùn)兒——中國(guó)科學(xué)院上海神經(jīng)科學(xué)研究所使用了127個(gè)卵細(xì)胞、21只代孕猴子，才得到“中中”和“華華”。

如何提高克隆效率，是科學(xué)家們一直在探討的問(wèn)題。

研究者通常采用體細(xì)胞核移植技術(shù)實(shí)現(xiàn)克隆：把體細(xì)胞的細(xì)胞核取出來(lái)，放到一個(gè)去掉了細(xì)胞核的卵細(xì)胞中，利用卵細(xì)胞中的環(huán)境，幫助體細(xì)胞的基因獲得非常類似于受精卵中的“狀態(tài)”。克隆的效率不高，主要是供體細(xì)胞核的基因“狀態(tài)”出了問(wèn)題。

組蛋白上的各種修飾可以影響基因的“狀態(tài)”。2012年，張毅團(tuán)隊(duì)開始尋找體細(xì)胞核移植得到的小鼠胚胎（以下簡(jiǎn)稱“核移植胚胎”）中，哪些修飾出了錯(cuò)。

2014年，他們發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在組蛋白H3上的第9個(gè)氨基酸賴氨酸（K9）上的三甲基化（trimethylation）修飾（H3K9me3）在核移植胚胎中存在異常。向核移植胚胎中注射移除這種修飾的蛋白質(zhì)Kdm4d的信使RNA，可以修復(fù)這一異常，將小鼠克隆的成功率從不到1%提高到8%左右。

核移植胚胎的X染色體常常在Xist基因的調(diào)控下失去活性。2010年，日本理化研究所（RIKEN）的小倉(cāng)淳郎（ Atsuo Ogura）團(tuán)隊(duì)報(bào)道， 使用敲除 Xist基因的細(xì)胞核可以將克隆的成功率提高8-10倍。

在7月19日發(fā)表的新研究中，張毅團(tuán)隊(duì)報(bào)道，同時(shí)采取敲除Xist基因和注射Kdm4d 信使RNA兩種措施，可以使小鼠體細(xì)胞核移植克隆成功率提高到20%左右。

“張毅團(tuán)隊(duì)通過(guò)聯(lián)用Kdm4d和基因敲除Xist，一度將克隆效率提高到20%，這一可觀的數(shù)字意味著今后體細(xì)胞核移植技術(shù)有望更加高效地應(yīng)用于疾病機(jī)制的研究以及臨床藥物的篩選。”同濟(jì)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)高紹榮評(píng)論說(shuō)。

不過(guò)，20%的效率離體外受精50%以上的成功率還有很大差距。

對(duì)核移植胚胎和體外受精胚胎的跟蹤比較發(fā)現(xiàn)，差距出在著床之后。核移植胚胎著床后，形成的胎盤往往出現(xiàn)異常增大，并且有半數(shù)以上胚胎在不同階段停止了發(fā)育。

在此前的研究中，張毅和同事發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育的一些階段，來(lái)自母親的染色體上的某些區(qū)域因?yàn)槭艿浇M蛋白H3上的第27個(gè)氨基酸賴氨酸（K27）上的三甲基化（H3K27me3）修飾而被抑制，而位于父親染色體上的相應(yīng)區(qū)域沒(méi)有被修飾，從而使得這些區(qū)域編碼的基因僅從來(lái)自父親的染色體上表達(dá)。這一現(xiàn)象稱為“印跡”（imprinting）。

新的研究發(fā)現(xiàn)， H3K27me3印跡在核移植胚胎中并不存在，導(dǎo)致一些在胎盤和胚胎發(fā)育過(guò)程中起關(guān)鍵作用的基因同時(shí)表達(dá)了來(lái)自兩個(gè)染色體的版本。這很可能是胎盤異常、發(fā)育停止等現(xiàn)象背后的原因之一。

研究者還發(fā)現(xiàn)，核移植胚胎中H3K27me3印跡的缺失很可能來(lái)自供體細(xì)胞核本身，而不是發(fā)育過(guò)程導(dǎo)致的。因?yàn)橄鄳?yīng)區(qū)域在卵細(xì)胞的細(xì)胞核中已有H3K27me3修飾，而在各種類型體細(xì)胞的細(xì)胞核中都沒(méi)有H3K27me3印跡。

那么，如何修復(fù)H3K27me3印跡的異常？張毅和同事仍在研究。至于修復(fù)后能將效率再提高多少，他謹(jǐn)慎地表示：“除非我們做了才能知道。”

“如果能看到還有哪些過(guò)程限制了完全重編程，會(huì)（對(duì)克隆技術(shù)的發(fā)展）很有幫助。”約翰·格登說(shuō)。

 

知識(shí)分子小黑板

基因組印跡（genomic imprinting）

我們的每個(gè)基因都有繼承自父親和母親的兩份。對(duì)于大多數(shù)基因來(lái)說(shuō)，這兩份都會(huì)表達(dá)。但在一些情況下，有些基因只會(huì)表達(dá)其中的一份。有些基因通常表達(dá)繼承自父親的那一份，另一些通常表達(dá)繼承自母親的一份。這種現(xiàn)象叫做基因組印跡。

來(lái)源：https://ghr.nlm.nih.gov/primer/inheritance/updimprinting

參考文獻(xiàn)：

1. Matoba, S. et al., Loss of H3K27me3 imprinting in somatic cell nuclear transfer embryos disrupts post-implantation development, Cell Stem Cell (2018), https://doi.org/10.1016/j.stem.2018.06.008 （主要報(bào)道文獻(xiàn)）

2. Inoue, A. et al. (2017) Maternal H3K27me3 controls DNA methylation-independent imprinting. Nature 547, 419-424.

3. Matoba, S. et al. (2014) Embryonic Development following Somatic Cell Nuclear Transfer Impeded by Persisting Histone Methylation. Cell 159 (4), 884-895.