封麵設計源於中國古代象征生殖的圖騰——玄武，寓意哺乳動物通過有性生殖（蛇與龜）來維持完整的生命周期（圓環），而中心處的生殖細胞（紅色）則在遺傳信息的世代沿襲中起著非常關鍵的作用

　　人類生殖細胞係（精子、卵細胞及原始生殖細胞）、囊胚以及著床後胚胎體細胞的DNA甲基化水平示意圖

　　父本印跡基因H19和母本印跡基因PEG3在各個發育階段的原始生殖細胞以及體細胞中的DNA甲基化。其中每一行連鎖的圓圈代表全基因組DNA甲基化測序結果中一條讀段上的CpG位點，白色圓圈代表未甲基化的CpG位點，黑色圓圈代表甲基化的CpG位點

　　人類原始生殖細胞代表性基因的表達水平以及DNA甲基化隨發育時間變化的示意圖

　　2015年6月4日，國際知名學術期刊CELL以封麵文章的形式發表了北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心湯富酬研究組和北京大學第三醫院喬傑研究組的最新研究成果——人類原始生殖細胞的轉錄組和DNA甲基化組概觀（The Transcriptome and DNA Methylome Landscapes of Human Primordial Germ Cells）。該項工作係統、深入地研究了人類多個發育階段原始生殖細胞（PGC）的轉錄組和DNA甲基化組，發現人類原始生殖細胞不同於小鼠原始生殖細胞的關鍵獨特特征。

　　人類原始生殖細胞產生於胚胎發育的早期，是發育為成熟的精子和卵細胞的前體細胞，精卵結合後會發育成新的個體、並將遺傳物質傳遞給下一代以維持種族的延續。因此，對人類早期胚胎以及原始生殖細胞的發育過程進行深入的研究對於理解人類胚胎發育特征以及對於反複流產、胚胎停育、不孕不育等疾病發病機製的認識具有重要意義。基因組DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾方式，是調控細胞分化發育過程中基因表達的主要機製之一，它並不改變基因序列，但是可以遺傳給後代，容易受外界環境的影響而發生改變，在胚胎發育、幹細胞分化、癌症發生等方麵發揮著重要的作用。過去人們以小鼠作為模式動物進行研究，發現了複雜基因表達調控網絡和大規模DNA甲基化重編程對於早期胚胎以及原始生殖細胞發育的調控規律。但是由於物種間的差異，這些以小鼠為模型得出的調控規律是否適用於人類早期胚胎和原始生殖細胞的發育過程並不清楚。人類胚胎在發育過程中有兩輪大規模的DNA甲基化組重編程發生。第一輪發生在受精後的植入前胚胎中，第二輪發生在植入後的生殖細胞中。

　　北京大學研究團隊利用自己團隊在國際上率先發展的高靈敏度的DNA甲基化組高通量測序技術，首先對人類植入前胚胎的DNA甲基化圖譜進行了單堿基分辨率的、全基因組測序分析，發現人類精卵結合後，早期胚胎的基因組DNA發生大規模的去甲基化，甲基化程度從精子中的86%（中位數）降低到囊胚期胚胎中的43%，而在這一過程中印記基因控製區域的DNA甲基化得以精確的維持。在植入後的胚胎中，基因組DNA被大規模重新甲基化，DNA甲基化水平增加到92%。該項研究還發現了DNA甲基化組重編程對於基因表達網絡的關鍵調控特征。相關的研究成果發表在2014年7月的Nature上。該項研究為人們提供了一個深入分析人類早期胚胎發育過程中基因表達網絡表觀遺傳調控的坐標係統。

　　在此基礎上，該研究團隊對人類胚胎中第二輪DNA甲基化組重編程過程及其對基因表達網絡的調控關係進行了深入、全麵的分析。在正常情況下，一個植入後胚胎內大部分組織器官的基因組DNA加上甲基化標記後就基本維持穩定、不再擦去，而含有要傳遞給後代遺傳信息的原始生殖細胞則要經曆大規模的DNA甲基化擦除和重建的過程。該團隊利用精細的流式細胞分選技術對於不同發育階段以及不同性別的人類原始生殖細胞進行了分選、收集，再結合單細胞轉錄組高通量測序、微量細胞DNA甲基化組高通量測序、微量細胞DNA羥甲基化組高通量測序等技術、以及細胞免疫熒光技術，對人類原始生殖細胞的轉錄組、DNA甲基化組、以及組蛋白共價修飾等關鍵特征進行了深入的分析。

　　該項研究發現，與小鼠原始生殖細胞類似，處於發育早期階段的人類原始生殖細胞也會表達一係列與幹細胞多能性相關的基因（例如OCT4、NANOG和REX1等），印證了用小鼠作為模式動物研究原始生殖細胞發育過程的重要性。另外一方麵，與小鼠不同的是，人類原始生殖細胞並不表達關鍵的轉錄因子基因SOX2，取而代之的是表達另外兩個SOX家族基因——SOX15和SOX17。同時，人類原始生殖細胞還表達一係列與生殖細胞發育相關的基因（例如KIT、TNAP、AP2γ和NANOS3等）。與早期處於有絲分裂階段的細胞相比，進入減數分裂階段的人類原始生殖細胞其轉錄組發生明顯改變，同時細胞之間的異質性也大大增強，提示原始生殖細胞在進入減數分裂停滯期時同一個胚胎的不同生殖細胞處於顯著不同的發育狀態。其次，在人類植入後雌性胚胎中，每個細胞的兩條X染色體中的一條會隨機失活，以保持兩性的X染色體劑量相同（兩性都保持每個細胞中隻有一條活躍轉錄的X染色體）。而在人類雌性胚胎的生殖細胞中失活的那條X染色體會被重新激活，該團隊發現這一過程在發育第4周的雌性原始生殖細胞中就已經完成了，明顯早於小鼠原始生殖細胞中X染色體的重新激活。第三，人類原始生殖細胞在發育過程中會經曆大規模的DNA甲基化擦除，並且在發育到第10-11周時，DNA甲基化水平降低13倍達到了最低點，從植入後早期胚胎中的92%降低到此時的7%左右。這是人類所有已知類型的正常細胞中DNA甲基化程度最低的細胞類型，說明原始生殖細胞的DNA甲基化組具有鮮明的獨特性。第四，雖然人類原始生殖細胞基因組中絕大部分區域的DNA甲基化被完全擦除，但在一些重複序列原件上仍然殘留大量DNA甲基化，尤其是微衛星序列ALR（37%）以及一些進化上比較年輕的重複原件，如L1（23%）、Alu（12%）和ERVK（30%）等，為人類隔代遺傳現象的表觀遺傳學分析提供了有用的線索。最後，在如此大規模的DNA甲基化組重編程過程中，轉錄組水平的基因表達網絡保持了高度穩定，組成性異染色質也保持穩定，提示表觀遺傳調控的其他關鍵組分、特別是組蛋白的各種共價修飾在這一過程中可能起了關鍵作用。

　　該項工作首次分別在單細胞以及單堿基分辨率對人類原始生殖細胞的轉錄調控網絡和DNA甲基化重編程過程進行了深入、係統的分析，加深了對人類原始生殖細胞的發育以及表觀遺傳重編程過程的認識。為人類生殖細胞的表觀遺傳重編程、早期胚胎全能性的建立、DNA甲基化的隔代遺傳、以及胚胎幹細胞向精卵定向分化等問題的探究提供了理論基礎。對輔助生殖技術的安全性評估、疾病對後代影響的評價、以及臨床上生殖細胞發育異常相關疾病的研究具有非常重要的意義。

　　北京大學的郭帆博士、閆麗盈博士、博士生郭紅山、博士生李琳是這篇論文的並列第一作者。北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心的湯富酬研究員和北京大學第三醫院的喬傑教授是該論文的共同通訊作者，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心的高毅勤研究組參與了該項研究的關鍵生物信息學分析工作。該項研究得到了國家自然科學基金、國家重大科學研究計劃、北京市科委前沿項目基金、以及北大清華聯合中心基金等支持。

　　推薦的英文文獻

　　The Transcriptome and DNA Methylome Landscapes of Human Primordial Germ Cells

　　DOI： http：//dx.doi.org/10.1016/j.cell.2015.05.015

　　Germ cells are vital for transmitting genetic information from one generation to the next and for maintaining the continuation of species. Here， we analyze the transcriptome of human primordial germ cells (PGCs) from the migrating stage to the gonadal stage at single-cell and single-base resolutions. Human PGCs show unique transcription patterns involving the simultaneous expression of both pluripotency genes and germline-specific genes， with a subset of them displaying developmental-stage-specific features. Furthermore， we analyze the DNA methylome of human PGCs and find global demethylation of their genomes. Approximately 10 to 11 weeks after gestation， the PGCs are nearly devoid of any DNA methylation， with only 7.8% and 6.0% of the median methylation levels in male and female PGCs， respectively. Our work paves the way toward deciphering the complex epigenetic reprogramming of the germline with the aim of restoring totipotency in fertilized oocytes.