文章題目：SETD1B-mediated broad H3K4me3 controls proper temporal patterns of gene expression critical for spermatid development

中文標題：SETD1B介(jie)導的廣泛H3K4me3修飾在精子細胞(bao)發育過程中對(dui)基因表達時序模式發揮關(guan)鍵(jian)調控作用

發表期刊(kan)：Cell Research

影響因子：25.9

發表時間：2025年3月

研究對象：小鼠發育過程中(zhong)的(de)精子

組(zu)學(xue)策(ce)略(lve)：ChIP-seq, RNA-seq, NOMe-seq

研究(jiu)背景

生(sheng)殖系在(zai)傳遞完整(zheng)基(ji)因(yin)(yin)組和表(biao)觀遺傳信息中具有重要作(zuo)用，雄(xiong)性(xing)(xing)(xing)生(sheng)殖細胞的(de)(de)發(fa)育過(guo)程稱為(wei)精(jing)子(zi)(zi)發(fa)生(sheng)，涉(she)及復(fu)雜(za)的(de)(de)分(fen)化階段(duan)。此(ci)過(guo)程中的(de)(de)基(ji)因(yin)(yin)表(biao)達(da)(da)受(shou)到(dao)遺傳和表(biao)觀遺傳因(yin)(yin)素(su)的(de)(de)嚴格調控(kong)，尤其(qi)是染(ran)(ran)色質(zhi)狀態與(yu)(yu)轉錄(lu)(lu)調控(kong)的(de)(de)關系。研究(jiu)發(fa)現，組蛋白(bai)H3K4me3在(zai)調控(kong)轉錄(lu)(lu)中起重要作(zuo)用，特別是廣泛的(de)(de)H3K4me3區域(yu)與(yu)(yu)精(jing)子(zi)(zi)細胞特異(yi)性(xing)(xing)(xing)基(ji)因(yin)(yin)相關。通過(guo)系統(tong)繪制(zhi)11個(ge)精(jing)子(zi)(zi)發(fa)生(sheng)階段(duan)的(de)(de)染(ran)(ran)色質(zhi)狀態，我們發(fa)現廣泛的(de)(de)H3K4me3區域(yu)在(zai)精(jing)子(zi)(zi)發(fa)生(sheng)中始終(zhong)存(cun)在(zai)，并與(yu)(yu)RNA聚合酶II的(de)(de)分(fen)布及基(ji)因(yin)(yin)表(biao)達(da)(da)的(de)(de)時序(xu)密(mi)切相關。Setd1b的(de)(de)缺失(shi)導(dao)致廣泛H3K4me3的(de)(de)消失(shi)，進而(er)影響(xiang)階段(duan)特異(yi)性(xing)(xing)(xing)基(ji)因(yin)(yin)的(de)(de)表(biao)達(da)(da)和精(jing)子(zi)(zi)發(fa)生(sheng)。此(ci)外，抑制(zhi)性(xing)(xing)(xing)組蛋白(bai)標記在(zai)減數分(fen)裂過(guo)程中的(de)(de)相互(hu)獨立分(fen)布與(yu)(yu)轉錄(lu)(lu)輸(shu)出(chu)及基(ji)因(yin)(yin)沉(chen)默相關，強調了表(biao)觀遺傳調控(kong)在(zai)精(jing)子(zi)(zi)發(fa)生(sheng)中的(de)(de)重要性(xing)(xing)(xing)。

研究(jiu)思路

步驟(zou)1：染色(se)質表觀基因組分析

采用(yong)染色質免疫(yi)沉淀(dian)測序（ChIP-seq）分析11個發育階(jie)段的雄性生(sheng)殖細胞(bao)，揭示不同階(jie)段的組(zu)蛋(dan)白修飾和非(fei)轉錄(lu)區域（NDRs）顯(xian)著變化(hua)，特(te)(te)別是在減數分裂前細絲期精母細胞(bao)中NDRs數量(liang)最(zui)低。使用(yong)ChromHMM對基因(yin)(yin)組(zu)進行注釋，顯(xian)示階(jie)段特(te)(te)異性基因(yin)(yin)在相(xiang)關(guan)細胞(bao)階(jie)段的活(huo)躍表觀基因(yin)(yin)組(zu)特(te)(te)征。

步驟2：異染色質修飾重(zhong)排分析

研究異染色質修飾(shi)(shi)的動(dong)態變化，發現H3K9me2在B型精(jing)原細胞階段(duan)顯著增加，而H3K27me3在mP階段(duan)迅(xun)速重新建立。采用轉錄組分析(xi)，揭示(shi)關鍵(jian)基(ji)因的表達模式與這些修飾(shi)(shi)的關聯，表明(ming)它們在精(jing)子發生中的重要調(diao)控作用。

步驟3：SETD1B對H3K4me3區域形成的調控

利用(yong)CRISPR/Cas9技術(shu)生成(cheng)Setd1b基(ji)因敲除小鼠(shu)，評估其對廣(guang)泛H3K4me3區(qu)域的(de)影響。ChIP-seq分析顯示SETD1B缺(que)失(shi)導(dao)致Pol II和TAF3的(de)重新分布，影響精子(zi)細胞的(de)轉錄(lu)活性(xing)，最終導(dao)致男性(xing)不育和精子(zi)發生異常。

研究內容

1.小鼠精子(zi)發生過程中染色質(zhi)表觀基(ji)因組分(fen)析揭示發育(yu)階段的(de)染色質(zhi)特征

為深入理解(jie)精(jing)子發(fa)生(sheng)中的(de)表觀(guan)遺傳動態，研究者收集(ji)了(le)11個(ge)連續發(fa)育階段的(de)雄性(xing)生(sheng)殖細(xi)胞，并系統分(fen)析(xi)了(le)表觀(guan)基(ji)因組修(xiu)飾(shi)(shi)。染色質免疫(yi)沉(chen)淀測序檢測了(le)多(duo)種組蛋(dan)白修(xiu)飾(shi)(shi)，結果表明不同階段的(de)組蛋(dan)白修(xiu)飾(shi)(shi)和NDRs發(fa)生(sheng)顯著變化。進(jin)入減數分(fen)裂的(de)前細(xi)絲(si)期精(jing)母細(xi)胞具有最低的(de)NDRs數量和DNA甲基(ji)化水平。

小鼠精子發(fa)生(sheng)過程(cheng)中染色質表(biao)觀基因(yin)組圖譜

為了追蹤表觀(guan)基因(yin)組動態(tai)，研(yan)究采(cai)用ChromHMM定義了15狀態(tai)模型(xing)(xing)以注釋(shi)精子發(fa)生(sheng)過程中的(de)(de)基因(yin)組。啟(qi)動子展(zhan)現(xian)(xian)出(chu)最高的(de)(de)可及性和(he)(he)最低的(de)(de)DNA甲基化水平，階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)特異性表達(da)的(de)(de)基因(yin)在相(xiang)關(guan)細胞階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)展(zhan)現(xian)(xian)活(huo)躍標(biao)記(ji)。約1.6%的(de)(de)基因(yin)組在相(xiang)鄰發(fa)育階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)間表現(xian)(xian)出(chu)染色(se)質狀態(tai)差異。研(yan)究發(fa)現(xian)(xian)，類型(xing)(xing)B精原細胞和(he)(he)中期(qi)粗(cu)線期(qi)精母細胞經歷了最廣(guang)泛(fan)的(de)(de)染色(se)質狀態(tai)變化，轉(zhuan)錄組數據顯(xian)示這些階(jie)(jie)(jie)段(duan)(duan)的(de)(de)基因(yin)表達(da)模式顯(xian)著變化。

2.有絲(si)分(fen)裂到減數分(fen)裂過(guo)渡及減數重組和聯會(hui)完(wan)成(cheng)期間的(de)異染色質修飾(shi)重排

男性生殖細(xi)胞發(fa)育(yu)中(zhong)的異染色質修飾會發(fa)生重(zhong)排。第一(yi)階(jie)段始于B型精原細(xi)胞，H3K9me2顯著增加，而H3K27me3明顯減少，H3K9me3保(bao)持穩(wen)定。新產(chan)生的H3K9me2峰與(yu)H3K9me3峰不重(zhong)疊，后者主要富集于LINE和LTR元素。減數分裂階(jie)段的H3K9me2主要集中(zhong)于抑(yi)制性基因，提(ti)示該修飾可能與(yu)減數分裂基因的抑(yi)制相(xiang)關(guan)。

小(xiao)鼠精子(zi)形(xing)成過程中抑制(zhi)性(xing)組蛋白修飾(shi)的動態變化(hua)特征(zheng)

第(di)二階段重(zhong)排發(fa)(fa)生(sheng)在(zai)(zai)mP階段，H3K9me2和H3K9me3普遍(bian)減(jian)少(shao)，伴隨轉錄激活(huo)。缺乏(fa)H3K9me2去甲基化酶Kdm3的(de)精子細胞與(yu)多個精子發(fa)(fa)生(sheng)關(guan)鍵基因下調有關(guan)。H3K27me3在(zai)(zai)mP階段迅(xun)速重(zhong)新建立，主(zhu)要標記(ji)此后被(bei)沉默(mo)的(de)基因，顯示其(qi)在(zai)(zai)精子發(fa)(fa)生(sheng)中的(de)關(guan)鍵作用(yong)。兩種抑制(zhi)標記(ji)的(de)切(qie)換(huan)與(yu)相(xiang)(xiang)關(guan)染色質修飾酶的(de)表(biao)達變化密切(qie)相(xiang)(xiang)關(guan)。

3.精子保(bao)守且廣泛H3K4me3和H3K27ac區域及超級增強子特征的建立

我(wo)們研究了精子(zi)形(xing)成過(guo)程中活性組蛋(dan)白標記的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)，發現H3K4me3和H3K27ac的(de)(de)(de)廣(guang)泛變(bian)化(hua)顯著(zhu)大于H3K4me1和H3K36me3。在(zai)細(xi)絲期/合子(zi)期和圓形(xing)精子(zi)細(xi)胞階(jie)段，出(chu)現了兩波H3K4me3的(de)(de)(de)顯著(zhu)上(shang)升。第二波的(de)(de)(de)H3K4me3上(shang)升與高水平的(de)(de)(de)Pr-F狀態相(xiang)關(guan)，超過(guo)5136個啟動子(zi)和增(zeng)(zeng)強子(zi)受到了廣(guang)泛且強大的(de)(de)(de)H3K4me3區域的(de)(de)(de)修飾。這些區域不僅(jin)位于轉錄起始位點，還分布在(zai)數千個遠端(duan)增(zeng)(zeng)強子(zi)區域，并(bing)在(zai)人(ren)的(de)(de)(de)精子(zi)細(xi)胞中保守。

精(jing)子形成過程H3K4me3和H3K27ac區域的動態(tai)變(bian)化

盡管H3K4me3標記的(de)(de)(de)增強(qiang)子(zi)在大多數系統中(zhong)呈(cheng)現較弱信號(hao)，本研(yan)究(jiu)發現精子(zi)細胞中(zhong)的(de)(de)(de)廣泛H3K4me3區(qu)(qu)域無論與(yu)TSSs還(huan)是遠端(duan)區(qu)(qu)域均(jun)顯(xian)(xian)示出相似的(de)(de)(de)信號(hao)強(qiang)度。通過ROSE分析(xi)識別出911個超級H3K4me3區(qu)(qu)域，其(qi)中(zhong)41.6%與(yu)超級增強(qiang)子(zi)重(zhong)疊，突顯(xian)(xian)這(zhe)些區(qu)(qu)域在精子(zi)中(zhong)作(zuo)為(wei)最活躍增強(qiang)子(zi)的(de)(de)(de)潛力(li)。

4.精(jing)子(zi)中H3K4me3區域與與精(jing)子(zi)特異性相關高表(biao)達基因密切相關

精(jing)子(zi)中廣泛H3K4me3區(qu)域與精(jing)子(zi)細(xi)胞(bao)特(te)性(xing)相(xiang)關(guan)的高表達基(ji)因密切相(xiang)關(guan)，并(bing)與超級增強子(zi)顯著重疊，顯示(shi)出廣泛的基(ji)因組覆蓋。這(zhe)些區(qu)域可(ke)能在精(jing)子(zi)細(xi)胞(bao)發育過程中發揮(hui)轉錄激活作用。

精子特(te)異(yi)性H3K4me3區域與(yu)精子發(fa)生關(guan)鍵基因轉錄潛(qian)能密切相關(guan)

人類精(jing)細胞(bao)中(zhong)，H3K4me3修飾(shi)區(qu)(qu)域(yu)的(de)(de)基(ji)因顯示高轉錄水平，GO分析中(zhong)表現(xian)出(chu)精(jing)子發生的(de)(de)功能富集。這些結果(guo)表明(ming)廣泛(fan)H3K4me3區(qu)(qu)域(yu)與關鍵精(jing)子發生基(ji)因相(xiang)關，并展現(xian)出(chu)階(jie)段特異性表達模式。

5.SETD1B甲基(ji)轉移酶(mei)對于精(jing)細胞廣泛H3K4me3區域(yu)形成是必需(xu)的

在(zai)已知(zhi)的六(liu)種(zhong)KMT2甲(jia)基轉移酶中，只有(you)Setd1b的表達與廣泛H3K4me3區域的形成相(xiang)符(fu)，RNA-seq和(he)單細胞RNA-seq數據進一步支持了這一發現(xian)。

在精子發生(sheng)過(guo)程(cheng)中SETD1B負(fu)責建立廣泛的H3K4me3區域

為(wei)了確認Setd1b在廣(guang)(guang)泛(fan)H3K4me3區(qu)域(yu)形成中的作用，本文利用CRISPR/Cas9技術生成了Setd1b基因敲除小鼠(shu)。結果(guo)顯示，Setd1b-KO小鼠(shu)的精子(zi)細胞中廣(guang)(guang)泛(fan)H3K4me3信(xin)號(hao)顯著降低，而常規H3K4me3信(xin)號(hao)未受影(ying)響(xiang)。此外，遠端(duan)增強子(zi)的H3K27ac顯著減(jian)少，表明廣(guang)(guang)泛(fan)H3K4me3區(qu)域(yu)的生成主(zhu)要依賴(lai)于SETD1B。綜(zong)合(he)結果(guo)表明，SETD1B是精子(zi)細胞廣(guang)(guang)泛(fan)H3K4me3區(qu)域(yu)的主(zhu)要甲基轉移酶。

6.SETD1B調控H3K4me3區域中的聚合酶II分布(bu)激活精細胞發育基因

H3K4me3與基(ji)因(yin)(yin)激活的(de)關聯(lian)已被確認(ren)，特(te)別(bie)是(shi)通(tong)過TAF3與H3K4me3的(de)相互(hu)作(zuo)用及轉錄起始復(fu)合(he)物（PIC）的(de)組裝(zhuang)。我們研究(jiu)了SETD1B介導(dao)的(de)廣(guang)泛(fan)(fan)H3K4me3區(qu)域對發育中的(de)精子細(xi)(xi)(xi)胞(bao)轉錄和Pol II占據(ju)的(de)影(ying)響。在(zai)對照組和Setd1b-KO小鼠的(de)精子細(xi)(xi)(xi)胞(bao)中，ChIP-seq分析顯(xian)示，廣(guang)泛(fan)(fan)H3K4me3區(qu)域的(de)基(ji)因(yin)(yin)啟動子處的(de)Pol II和TAF3占據(ju)顯(xian)著(zhu)(zhu)高于常規H3K4me3基(ji)因(yin)(yin)。隨著(zhu)(zhu)精子發生(sheng)細(xi)(xi)(xi)胞(bao)的(de)發育，廣(guang)泛(fan)(fan)H3K4me3啟動子的(de)核小體占據(ju)減少，并在(zai)50%的(de)此類區(qu)域中發現了DNA低甲(jia)基(ji)化。

SETD1B缺(que)失(shi)導致聚合酶(mei)II的重新分布(bu)和(he)轉錄失(shi)調

Setd1b缺失導致H3K4me3覆蓋的啟動子、基因和(he)增強子上信(xin)號降低(di)，涉(she)及1341個(ge)位點。常規(gui)H3K4me3位點的TAF3和(he)Pol II占據(ju)增加，顯示Pol II從廣(guang)泛(fan)H3K4me3區域重新分(fen)布。RNA-seq數據(ju)支持這一發現，203個(ge)廣(guang)泛(fan)H3K4me3靶基因的表達水平(ping)(ping)降低(di)，而316個(ge)常規(gui)H3K4me3靶基因的轉錄(lu)水平(ping)(ping)增加。GO分(fen)析顯示，下調的廣(guang)泛(fan)H3K4me3基因富(fu)集于精子細胞發育相(xiang)關(guan)功(gong)能，上調基因則與(yu)形(xing)態發生相(xiang)關(guan)。

7.SETD1B通過(guo)RFX2介導(dao)(dao)H3K4me3調控精子(zi)發生中的階段(duan)特異(yi)性(xing)基因(yin)表達，其缺(que)失(shi)導(dao)(dao)致男性(xing)不育和精子(zi)發生異(yi)常

大規模的RS數(shu)據(ju)強調(diao)(diao)了(le)SETD1B介(jie)導的廣泛H3K4me3區域在(zai)(zai)促(cu)進PIC結合和(he)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)激活中(zhong)的關(guan)鍵作用。盡管Setd1b缺(que)失(shi)對(dui)轉(zhuan)錄組(zu)中(zhong)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)數(shu)量(liang)的影響(xiang)不(bu)明(ming)顯，但(dan)研究發現廣泛H3K4me3相(xiang)關(guan)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)在(zai)(zai)精(jing)子(zi)細(xi)胞發育(yu)中(zhong)展現獨特的時(shi)間表達(da)模式。Setd1b-KO導致RS4中(zhong)647個(ge)(ge)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)和(he)LS中(zhong)1125個(ge)(ge)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)下調(diao)(diao)，同時(shi)也出(chu)現874個(ge)(ge)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)在(zai)(zai)RS4和(he)334個(ge)(ge)基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)在(zai)(zai)LS中(zhong)的上調(diao)(diao)。這表明(ming)SETD1B不(bu)僅促(cu)進轉(zhuan)錄輸出(chu)，還決定階段(duan)特異性基(ji)因(yin)(yin)(yin)(yin)的準確表達(da)時(shi)機。

SETD1B介導H3K4me3確保了特異(yi)性(xing)基因(yin)的準確表達(da)及精子細胞正常發育

SETD1B缺(que)失導致Pol II分布的(de)變(bian)化(hua)，造成(cheng)精子細(xi)胞中(zhong)“早(zao)期(qi)基因晚(wan)調(diao)，晚(wan)期(qi)基因早(zao)調(diao)”的(de)現(xian)象。RFX2與SETD1B相互作(zuo)用以建立廣泛H3K4me3，且ChIP-seq數據(ju)顯(xian)(xian)示RFX2缺(que)失導致廣泛H3K4me3的(de)顯(xian)(xian)著減少。Setd1b-KO小鼠表現(xian)出不育(yu)和精子發生(sheng)異常，睪(gao)丸(wan)顯(xian)(xian)著縮小，精子細(xi)胞發育(yu)受損，精子數量和活(huo)力降低。這些發現(xian)表明SETD1B介導的(de)廣泛H3K4me3在男性生(sheng)育(yu)和正常精子發生(sheng)中(zhong)發揮著關(guan)鍵作(zuo)用。