猪胚胎DNA甲基化动态分析及提高猪克隆胚胎发育效率的研究

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体细胞核移植(Somatic cell nuclear transfer,SCNT)技术不仅证明了高度分化的细胞核在一定条件下仍可重编程获得全能性,更展现这项技术在濒危物种保护和良畜保种等方面的优点。虽然体细胞克隆动物具有重要的应用价值,但克隆动物的出生效率低严重制约了该技术的应用和发展。导致体细胞核移植技术生产的克隆胚胎发育效率低下的因素众多,近来的研究表明,包括DNA胞嘧啶的甲基化、组蛋白修饰位点的化学修饰、基因组印迹和染色质重塑等在内的表观遗传重编程在克隆胚胎发育过程中发挥着极其重要的作用。甲基化修饰是哺乳动物基因组中普遍存在的一种形式,可以通过在发育过程中调节基因的转录与抑制,使基因的表达具有组织特异性来完成细胞分化。此外,甲基化可能参与基因印记修饰,在胚胎的早期发育过程中起到关键调节作用。然而,在克隆胚胎中,DNA甲基化的重编程过程仍有很多未知需要摸索。本研究旨在通过RRBS研究猪生殖细胞和不同时期的体内受精胚胎及克隆胚胎的甲基化动态,揭示附植前猪克隆胚胎的DNA甲基化重编程的规律,找出造成克隆胚胎发育异常的关键基因,并结合组蛋白甲基化修饰药物的处理,提高猪克隆胚胎的发育效率,扩大克隆技术在科研和生产中的应用,并为此提供理论基础。结果如下:1、首次通过RRBS方法检测了猪生殖细胞与不同发育阶段的体内胚胎及克隆胚胎(1cell、2cell、4cell、8cell、桑葚胚Morula以及囊胚时期的ICM)的甲基化水平。通过绘制胚胎发育过程中Cp G岛和启动子区域的甲基化动态趋势,研究了猪生殖细胞与体内胚胎及克隆胚胎甲基化水平的分布特征及变化规律,分析猪配子与体内胚胎和克隆胚胎甲基化水平的分布,发现胚胎存在两个去甲基化阶段:第一次是精卵结合后,精子去甲基化;第二次是合子基因组激活后,卵母细胞去甲基化,克隆胚胎发育过程中去甲基化不足现象也得以直观体现。此外,通过对猪生殖细胞与体内胚胎及克隆胚胎m C甲基化水平的研究,发现胚胎中甲基化水平的下降主要与高甲基化程度的m C(80%-100%)减少为低甲基化程度的m C(0%-20%,20%-40%)有关。2、首次通过RRBS分析了猪卵母细胞与精子的C位点甲基化程度,得到26115个DMRs,并根据其甲基化程度找到1059个卵母细胞特异的DMR,17810个精子特异的DMR,GO富集注释了3852个相关基因。继而通过分析卵母细胞和精子与1cell胚胎,分别找到14492个和47116个DMR,并通过GO富集注释了2996个和5557个相关基因。之后进行了猪不同发育阶段体内胚胎及克隆胚胎(1cell、2cell、4cell、8cell、Morula以及囊胚时期的ICM)的DMR分析,依次得到相关DMR并GO富集注释了相关基因。通过研究卵母细胞特异和精子特异的DMR在体内胚胎及克隆胚胎中的数目和甲基化程度,找到其中涉及的胚胎发育相关基因,阐述克隆胚胎中导致发育效率低下的原因。3、通过在猪克隆胚胎的体外培养体系PZM3单独添加DZNep和UNC0642的终浓度分别为10n M和5n M且处理时间为24h时,可显著提高克隆胚胎的发育效率(P<0.05)。DZNep可抑制EZH2基因的表达,降低猪早期克隆胚胎中H3K27me3水平,促进胚胎发育。UNC0642则可抑制GLP/G9a基因的表达,降低猪早期克隆胚胎中H3K9me2的水平,促进胚胎发育,但不具备调节胚胎中H3K9me3水平的能力。试验发现,DZNep和UNC0642处理不仅有效纠正了克隆胚胎中异常的组蛋白甲基化修饰,进而提升了胚胎质量、促进多能性基因的表达,显著提高克隆胚胎的发育效率。结论:1)在Cp G岛中,精卵结合后甲基化水平快速下降,2cell之后甲基化水平随胚胎发育缓慢下降;克隆胚胎Cp G岛的甲基化水平随胚胎发育缓慢下降,但去甲基化不足。在启动子区域,精卵结合后胚胎甲基化快速下降至一定水平企稳,直到8cell后,甲基化水平重又快速下降;克隆胚胎启动子区域甲基化的动态与之相似.2)卵母细胞特异和精子特异的DMR在克隆胚胎中不仅大量缺失,更因为其高程度甲基化引起的基因表达变化,是导致胚胎发育效率低下的主要原因。3)DZnep和UNC0642作为组蛋白甲基化修饰药物处理克隆胚胎时,可显著促进胚胎发育效率,提高胚胎质量。
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