单细胞多组学测序揭示了早期胚胎的功能调节周期发展（Single-

Wang Y, Yuan P, Yan Z, Yang M, Huo Y, Nie Y, Zhu X, Qiao J, Yan L. Single-cell multiomics sequencing reveals the functional regulatory landscape of early embryos. Nat Commun. 2021 Feb 23;12(1):1247. doi: 10.1038/s41467-021-21409-8. PMID: 33623021; PMCID: PMC7902657.

北京大学第三医院乔杰/闫丽盈团队在 Nature Communications 杂志发表了题为：Single-cell multiomics sequencing reveals the functional regulatory landscape of early embryos 的研究论文。

研究团队开发了一种单细胞多组学测序技术（scNOMeRe-seq），该技术可同时对单个细胞的RNA表达、DNA甲基化、染色质可及性进行分析。团队利用这一技术首次对哺乳动物植入前胚胎在单细胞分辨率上多个层面的调控关系进行了全面联合分析。

图1  scNOMeRe-seq

该团队应用这种方法来描绘小鼠植入前发育的单细胞多组学图。并且发现全基因组DNA甲基化重塑促进了早期胚胎遗传谱系的重建。此外，他们构建了一个与合子基因组激活（ZGA）相关的调节网络，并揭示了多个表观遗传层之间的协调性，指导正确ZGA的转录因子和重复元件。

在ZGA后阶段，逐步激活与细胞命运相关的顺式调控元件。滋养外胚层（TE）特异的转录因子在促进TE程序同时在ICM / TE分离过程中抑制内部细胞团（ICM）程序时起双重作用。

研究结果

1 小鼠植入前胚胎中的scNOMeRe-seq谱

为了在同一单个细胞中同时检测全基因组的Acc，Met和Expr，通过结合scNOMe-seq和MATQ-seq开发了单细胞多组测序方法scNOMeRe-seq，采用这种方法对来自小鼠植入前胚胎不同阶段的233个单细胞进行了分析，其中221个（94.8％）单细胞的RNA数据和218个（93.4％）单细胞的DNA数据通过了严格标准，显示出很高的成功率。

DNA数据显示，该方法可以同时检测超过15％的WCG / GCH基因组位点（WCG 349万，15.8％；GCH 31.0百万，在大约3倍测序深度下平均每个细胞平均15.5％），与单个方法相比，捕获效率有所提高-cell核小体，甲基化和转录测序（scNMT-SEQ）和单细胞染色质整体组学规模景观测序（scCOOL-SEQ）。

此外，DNA的数据显示在之前定义的DNA酶高敏位点和开放的染色质高GCH和低WCG甲基化水平，支持该方法有效的和可再现的方法。所述RNA数据集显示出高精度，高再现性，通过基因区域均匀的覆盖，并在低的水平表达的基因的检测灵敏度高。更重要的是，RNA数据集可以忠实地区分胚胎日3.5胚泡中的ICM和TE细胞，从而进一步证实了从scNOMeRe-seq获得的RNA数据的高质量。

2遗传谱系的重建揭示了早期胚胎中异质性的来源

鉴于早期胚胎在有丝分裂过程中Met水平的维持不足，一项先前的研究试图使用人类和小鼠的单细胞全基因组CpG Met数据集重建4细胞胚胎的遗传谱系，并成功阐明了谱系。

为了测试研究者单细胞Met（WCG）数据集是否可用于推断早期胚胎的遗传谱系，首先计算了每个4细胞（n  = 10个胚胎）或晚期4细胞胚胎中卵裂球之间的成对相关性，还观察到每个分析的8细胞胚胎（n  = 3个胚胎）的卵裂球中Met水平的保守成对相关性，这暗示可能可以使用单细胞Met数据集重建8细胞胚胎的遗传谱系。

为了验证源自2细胞和4细胞胚胎中相同卵裂球的8细胞阶段卵裂球之间的Met相关模式，我们显微注射FITC分别标记2细胞和4细胞胚胎中的一个卵裂球，并进行单当这些胚胎发育到8细胞阶段时，每个细胞的亚硫酸氢盐测序（scBS-seq）。来自4细胞胚胎中相同卵裂球的8细胞胚胎中的卵裂球具有高度正相关的Met水平。

相比之下，源自2细胞胚胎中相同卵裂球的8对胚胎中的2对卵裂球在成对中呈现出高度正相关的Met水平，但是来自不同对的细胞呈现出高度负相关的Met水平。因此，这些结果表明，该研究者可以使用单细胞Met数据集准确构建从合子阶段到8细胞胚胎阶段的完整谱系。

3早期胚胎中基因表达的等位基因特异性调控

在整个植入前阶段，母亲等位基因中母体基因在基因体区域的Met水平明显高于非母体基因。正如预期的那样，在母本基因中观察到父母等位基因之间的主要Met差异，但在非母本基因中未观察到。

此外，发现非母体基因中的母体Met与Expr之间的相关性明显弱于母体基因，这表明观察到的母体Met与Expr在基因体区域之间的正相关主要是从卵母细胞遗传的。

4 scNOMeRe-seq揭示了ZGA相关的过程

这些正相关CRE的总Met水平在2细胞胚胎中比受精卵要低。值得注意的是，这些正相关的CRE的Acc在2细胞胚胎中的每个单个细胞中都特别增加，但是在此期间，伴随着总体Acc的急剧下降。

这些结果表明，在ZGA期间会发生强大的染色质重编程，以从配子中除去调节记忆并重建合子调节网络。

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/375382214