以体外受精(in vitro fertilization, IVF)为代表的体外胚胎生产技术,长期以来受到胚胎发育效率偏低、胚胎质量较差以及出生后代发育异常等问题的束缚。这些问题不仅制约了高效的繁殖生物技术在家畜繁育中的应用,同时也给临床上应用辅助生殖技术的患者及其后代带来了潜在的危害。此前许多研究利用芯片、RNA-seq等高通量技术获得了小鼠、猪、牛等IVF早期胚胎的转录组数据,并挖掘出大量导致IVF胚胎发育异常的候选基因。然而,体外环境和体外操作是如何导致体外胚胎基因表达异常的,针对相关作用机制的研究和报道非常少。目前一般的理论认为,DNA甲基化、microRNA等表观调控机制,作为生物响应环境效应的媒介,参与了体外操作和环境导致胚胎基因表达异常发生的过程。因此本研究利用RNA-seq、MeDIP-seq、 microRNA-seq等手段获得多维度的基因表达和表观修饰数据,并通过系统生物学整合分析深入探讨胚胎发育的过程中基因表达的表观调控关系,以期为解释体内外胚胎发育过程中表观调节机制提供参考。本研究以小鼠为模型,收取了E3.5、E7.5、E10.5三个关键发育时期的胚胎及胚外(胎盘)组织,利用高通量测序手段,探索体外受精和体外培养对早期胚胎表观修饰和基因表达的影响,并通过整合分析挖掘导致体外胚胎发育异常的分子源头(molecular origins),同时较为系统地记录分析了体内外胚胎附植前后的表型差异。结果显示,体外胚胎附植率与体内胚胎没有差异,但是正常胚胎的比例相对较低,说明体外胚胎发育潜能的不足。通过对不同时间点样品收集情况统计分析显示体外胚胎发育异常在E7.5天之前出现。同时,对出生胎儿的体重及其胎盘重量的统计显示,体外胎儿的出生重偏低,而胎盘重量较体内组却明显偏高,提示体外胚胎在胚外组织和胎盘发育上同样存在一定程度的缺陷。针对附植前后不同发育阶段体内外胚胎转录组数据分析显示,各个发育时期的体内外差异基因均指向类似的功能,除了细胞粘附、离子转运、能量代谢等基础功能受到影响外,差异基因还明确地指向了包括神经退行性疾病、心肌异常导致的心脏疾病和癌症等。结合“成年疾病”胎源假说(Baker假说)以及现有的辅助生殖临床流行病学统计结果,上述结果提示体外胚胎在早期发育过程中,一些关键基因的表达异常可能会通过影响胚胎发育的重要生理生化事件,而增加胎儿出生后甚至成年后特定疾病的患病风险。这些关键基因也为今后揭示试管婴儿的发病机制提供了重要的候选。通过MeDIP-seq获得的体内外早期胚胎甲基化组数据显示,体内外胚胎在附植前后都经历了由囊胚期低甲基化逐步通过重头甲基化(de novo methylation)实现甲基化重建的过程。相对于体内胚胎而言,体外胚胎的许多基因表现出持续异常的甲基化修饰。功能聚类显示这些基因大多参与神经退行性疾病和心肌疾病等,这与体内外胚胎转录组差异分析的功能指向是完全一致的。为了从表观修饰的角度揭示体内外胚胎基因表达差异的分子机制,本实验对不同发育阶段小鼠体内外胚胎的转录组、甲基化组及microRNA组等不同层次的数据进行整合分析。结果发现,囊胚期整体甲基化水平低,该时期胚胎基因表达受到microRNA的调控较其他时期多；并且虽然该时期整体甲基化水平低,但其Promoter区甲基化对于基因表达的抑制作用较之其他发育时期反而最为强烈。此后,随着胚胎的发育,调控的模式也相应的会发生变化,基因的表达调控会逐渐过渡给Gene body区的甲基化。在胚胎附植前后的发育过程中,表达水平较高的基因其表达比较稳定,这些基因主要负责细胞基础功能。针对体内外胚胎差异表达基因的表观调控模式分析显示,虽然在E3.5天体内外囊胚均表现为整体低甲基化,但甲基化修饰异常对于体内外基因表达异常的贡献却高于E7.5和E10.5附植后胚胎。microRNA表达异常对于基因表达的影响始终占据主导地位,而且这种影响随着发育不断增强。甲基化不仅可以直接影响基因表达,还可以通过调控miRNA的表达间接地影响基因表达,这也说明了体外胚胎基因表达异常的调控机制的复杂性。此外,对相关致病通路基因的表观修饰分析显示,神经退行性疾病很可能是由于关键基因的Gene body异常的甲基化修饰导致的。本研究首次利用多个层次的高通量测序手段,展示了体内外胚胎附植前后动态的基因表达模式,以及甲基化、microRNA等表观修饰特征,挖掘了大量的与体外胚胎发育异常、出生后发病几率偏高的相关候选基因和异常的表观修饰,并且较为系统地阐述了体内外胚胎在附植前后基因表达的表观调控特征。这些信息将为今后系统的研究体外胚胎异常的分子机制提供有效的参考。