柏林馬克斯·普朗克分子遺傳學研究所的一個研究小組探討了在胚胎發(fā)育中的作用，這些因素不會改變DNA的序列，而只是表觀基因地改變其"包裝"。在科學雜志《自然》上，他們描述了調控機制如何有助于在早期小鼠胚胎中形成不同的組織和器官。

受精卵細胞發(fā)展成一個完整的有機體，具有許多不同的組織和器官，盡管每個細胞的遺傳信息完全相同。分子的復雜時鐘工作調節(jié)體內哪個細胞完成每項任務，并確定激活每個基因的適當時間和地點。

表觀遺傳調節(jié)因子是這種分子機制的一部分，它的作用是修改DNA分子的"包裝"，而不改變潛在的遺傳信息。具體來說，它們?yōu)镈NA添加書簽，并控制每個細胞中可以訪問哪些部分。

這些調節(jié)器中大多數(shù)是必不可少的，而缺乏這些調節(jié)器的胚胎往往在發(fā)育過程中死亡，當器官開始出現(xiàn)。然而，這些調節(jié)器可能具有每個細胞中不同的特定功能，因此難以研究。這也是研究這些蛋白質的主要障礙，這些蛋白質不僅與胚胎發(fā)育有關，而且與癌癥的形成有關。

詳細檢查胚胎"同一調節(jié)器存在于所有細胞中，但可以有非常不同的任務，這取決于細胞類型和發(fā)育時間，"斯特凡妮·格羅斯溫特說，他是科學雜志《自然》新研究的首批作者之一。

格羅斯文特和她的同事海倫·克雷茨默來自柏林馬克斯·普朗克分子遺傳學研究所(MPIMG)的亞歷山大·梅斯納實驗室，與來自哈佛大學的扎卡里·史密斯一起，現(xiàn)在以前所未有的精確度成功地闡明了表觀遺傳調節(jié)器對胚胎發(fā)育的意義。

研究人員分析了十種最重要的表觀遺傳調節(jié)器。他們首先使用CRISPR-Cas9系統(tǒng)，專門移除受精卵母細胞調控因子的基因編碼，然后在幾天后觀察對胚胎發(fā)育的影響。胚胎發(fā)育約六到九天后，研究小組檢查了由于缺乏相關調節(jié)器而導致的解剖和分子變化。他們發(fā)現(xiàn)許多胚胎的細胞組成發(fā)生了重大變化。某些類型的細胞存在數(shù)量過多，而其他細胞則沒有產生。

分析數(shù)千個單個細胞為了在分子水平上理解這些變化，研究人員檢查了來自胚胎的數(shù)百到數(shù)千個單個細胞，從這些細胞中系統(tǒng)地移除了單個表觀遺傳調節(jié)器。

他們對近280，000個單個細胞的RNA分子進行測序，以調查功能喪失的后果。RNA中繼編碼在DNA上的信息，使研究人員能夠利用測序技術了解細胞的身份和行為。

在他們的分析中，科學家們專注于一個發(fā)展階段，其中表觀遺傳調節(jié)器特別重要。當他們比較改變和未改變的胚胎的數(shù)據(jù)時，他們發(fā)現(xiàn)了被調節(jié)不良的基因，以及異常過度或過度生產的基因類型。從這個整體圖中，他們推導出了許多表觀遺傳調節(jié)器以前未知的功能。

發(fā)育過程中的復雜效果 八天大的老鼠胚胎看起來有點像海馬，還沒有任何器官。

"從早期胚胎的外表，人們通常只能猜測哪些結構和器官將形成，哪些不會形成，"生物信息學家海倫·克雷茨默和生物學家扎卡里·史密斯說，他們也是該出版物的第一作者。"我們的測序允許geng精確和高分辨率的視圖。

單細胞分析給了他們一個高度詳細的視圖，在鼠標開發(fā)的第九天。通常，關閉單個調節(jié)器導致整個相互作用基因網(wǎng)絡的連鎖反應，在發(fā)育過程中，許多不同活性或滅活基因。去除表觀遺傳調節(jié)器 Polycomb (PRC2) 的影響尤其顯著。"沒有 PRC2，胚胎看起來蛋形和非常小后，8天半，這是非常不尋常的，"克雷茨默說。"我們看到DNA的包裝方式發(fā)生了巨大的變化，這種變化發(fā)生在胚胎出現(xiàn)形態(tài)異常之前。

研究人員發(fā)現(xiàn)，PRC2負責限制生殖系祖細胞的數(shù)量，這些細胞后來成為精子和卵子。如果沒有 PRC2，胚胎就會產生過多的這些細胞，失去形狀，并在很短的時間后死亡。