​Genome Res | 伯晓晨/陈河兵/李昊/周平坤等开发哺乳动物早期胚胎发育协同调控分析多组学数据库dbEmbryo

2022年8月17日,军事医学研究院伯晓晨课题组在Genome Research期刊上在线发表了文章dbEmbryo multi-omics database for analyses of synergistic regulation in early mammalian embryo development该工作构建了一个哺乳动物早期胚胎发育的多组学数据库,dbEmbryo,用于分析哺乳动物早期胚胎发育过程中表观遗传信息的协同调控该数据库为生物学家和临床学者进一步研究早期胚胎发育过程中基因表达变化、表观遗传调控机制和三维基因组结构特征提供了数据和工具支持。此外,该工作还应用dbEmbryo数据库进行了案例研究,提出了早期胚胎发育过程中控制转录的Phase-Separated模型,对于理解早期胚胎发育阶段的转录动力学具有重要的意义。


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dbEmyo收集和整理了近年来发表的文献、GEO数据库以及EBI数据库中已有的早期胚胎发育组学数据,目前包括人类和小鼠早期胚胎的RNA-seq、ATAC-seq、ChIP-seq、MethylC-Seq和Hi-C数据,涵盖了16个细胞阶段,提供了基因表达、染色质可及性、组蛋白修饰、DNA甲基化和三维基因组等信息。同时,相应网站(https://sysomics.com/dbEmbryo/)提供了用户友好的分析平台,该平台整合了7类分析工具并支持本地数据上传,帮助用户探索早期胚胎发育期间调控元件之间的协同变化,并从空间和时间的角度探讨它们对早期胚胎转录程序的组合影响(图1)

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图1. dbEmbryo数据库构建流程及功能模块

此外,该工作还对目前已发表的10个数据库(EMAGE, eMouseAtlas,DBTMEE,EmExplorer,MetaImprint,DevMouse,iHMS,GED,MethBank 3.0和DevOmics)进行了综述和比较(图2),帮助研究人员根据研究需要选择合适的数据库进行分析。

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图2. 早期胚胎发育相关数据库对比

为了帮助用户了解如何使用dbEmbryo来探索塑造早期胚胎转录程序的不同层次的表观遗传标记,并指导用户选择合适的分析功能,作者对dbEmbryo的功能进行了应用和总结。通过对早期胚胎各个发育阶段的表观遗传信息进行研究,作者发现,在早期胚胎发育的2细胞到8细胞阶段,染色质可及性与基因表达密切相关,而在ICM和mESC阶段这种关联明显减弱。到了4细胞阶段,H3K4me3与基因表达的相关性达到最高。而且,H3K4me3和三维染色质结构的调控取决于染色质的开放程度。然而,随着DNA甲基化和组蛋白修饰(如H3K27me3)的加入,染色质可及性逐渐受到限制,转录活动变为多层级调控。据此,研究人员提出了早期胚胎发育过程中控制转录的Phase-Separated模型:2细胞阶段,开放染色质启动转录程序;4细胞阶段,H3K4me3促进基因表达上调;8细胞阶段,三维染色质结构增强了转录活动;ICM阶段,多种表观遗传信息调控基因表达。

综上所述,通过应用dbEmbryo数据库,作者不仅描述了不同表观遗传信息之间的相互作用,还对这些表观遗传信息如何逐步调节转录活动的复杂时空关系进行了更深入的分析,揭示了在早期胚胎发育的转录程序中,多种表观遗传信息以时空特异性方式发挥协同调控作用,这将有助于阐明早期胚胎发育中转录活动的基本机制。dbEmbryo数据库将为表观遗传动力学和染色质结构在维持细胞特性和基因表达调控中的作用提供新的见解,成为生物学家和临床学者用来研究早期胚胎发育的有力资源和工具,对促进再生医学以及辅助生殖医学的发展具有重要意义。数据库将会持续更新,欢迎大家使用并提供宝贵意见。

军事医学研究院陈河兵副研究员、李昊副研究员、伯晓晨研究员和周平坤研究员为论文的共同通讯作者,助理研究员黄昕、哈尔滨医科大学附属第一医院汤小晗副主任医师,硕士研究生白雪梅为并列第一作者。哈尔滨医科大学附属第一医院妇产科主任卢美松为该工作提供了重要指导。硕士研究生陶欢王军婷郑炀许翔,博士研究生孙昱李雅儒王龙腾,博士后丁阳等参与了这项工作。北京携云启源科技有限公司为该工作提供了相应的技术支持。

原文链接:

https://genome.cshlp.org/content/early/2022/08/17/gr.276744.122

数据库链接:

https://sysomics.com/dbEmbryo/

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