崔浩亮，賈青,2,3，高明，史佩華，高錦春，陶晨雨*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，河北保定 071000；2.國家北方山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000；3.河北省山區(qū)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

組蛋白是組成真核生物染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，組蛋白修飾是指組蛋白氨基酸位點發(fā)生乙酰化、磷酸化、巴豆?；⒓谆?、琥珀酰化等修飾過程。組蛋白修飾主要表現(xiàn)為染色體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在基因激活、卵母細胞成熟以及細胞重編程等方面起著非常重要的作用。組蛋白甲基化和乙?；? 種非常重要的表觀遺傳修飾標(biāo)記，組蛋白甲基化主要發(fā)生在賴氨酸（K）和精氨酸（R）殘基，組蛋白乙酰化修飾主要是發(fā)生在組蛋白H3 和H4，重要位點包括組蛋白H4K5、K8、K12、K16 與H3K9、K14 等。有研究表明，在哺乳動物卵母細胞成熟及早期胚胎發(fā)育過程中存在多種組蛋白修飾，且在細胞發(fā)育的不同階段發(fā)生動態(tài)變化。本文就哺乳動物卵母細胞成熟及早期胚胎發(fā)育過程中甲基化修飾與乙?；揎椙闆r及影響因素進行綜述，為哺乳動物發(fā)育研究提供理論依據(jù)。

1 哺乳動物卵母細胞成熟過程中的動態(tài)組蛋白修飾

組蛋白甲基化和乙酰化修飾參與卵母細胞成熟過程，在人類卵母細胞成熟過程中，檢測到從生發(fā)泡（GV）期到第2 次成熟分裂（MII）期存在相對穩(wěn)定的甲基化和乙酰化修飾。然而在豬卵母細胞成熟過程中，存在十分活躍的蛋白修飾變化情況。組蛋白H4K5、H4K8、H4K12、H4K16、H3K9 和H3K14位點在GV期表現(xiàn)乙酰化，隨后生發(fā)泡破裂（GVBD）期乙?；瘉G失。H4K5 和H4K16 位點乙?；瘉G失會持續(xù)到第1 次成熟分裂（MI）期，隨后在第一后期與末期（AT I）中發(fā)生短暫乙?；?，這可能與卵母細胞的第二次減數(shù)分裂的發(fā)生有關(guān)。相比于活躍的乙?；剑谆节呄蚍€(wěn)定，H3K23 三甲基化和H3K27 單甲基化、二甲基化、三甲基化在卵子成熟過程中穩(wěn)定存在，同時H3K27 位點的乙?；脖憩F(xiàn)穩(wěn)定水平。與豬的研究結(jié)果相似，小鼠卵母細胞也存在豐富的組蛋白甲基化和乙?；揎椝?，組蛋白H3K9、H3K14、H3K18和H4K5、H4K8、H4K12、H4K16 在GV 期均表現(xiàn)乙?；S著卵母細胞逐漸成熟，大部分位點會發(fā)生去乙酰化且維持到MII 期。同時H4K12 會在第一極體（PB1）排出時發(fā)生短暫乙?；?，這與H4K5 和H4K16 位點的研究結(jié)果相似。相反甲基化修飾總體水平更加穩(wěn)定，H3K79 二甲基化、三甲基化穩(wěn)定存在于GV 期、GVBD期和MII 期，且H3K79 三甲基化定位在著絲粒周圍區(qū)域，這可能會影響減數(shù)分裂正常的著絲粒構(gòu)象。同時也存在一些活躍的甲基化位點，Sarmento 等研究發(fā)現(xiàn)H3R17、H4R3 在卵母細胞成熟過程中表現(xiàn)穩(wěn)定甲基化狀態(tài)，直到MII 期發(fā)生甲基化丟失。在牛卵母細胞發(fā)育過程中，組蛋白甲基化與之前豬的研究結(jié)果相似，即H3K4、H3K9 二甲基化穩(wěn)定存在。在牛卵母細胞發(fā)育過程中組蛋白發(fā)生乙酰化丟失的速度低于豬和小鼠，GVBD 時期H4 乙酰化減弱，MII 期H4K5、H4K12 和H4K16 發(fā)生乙?；瘉G失，同時H4K8 表現(xiàn)弱乙?；?，這種情況在小鼠體內(nèi)也有出現(xiàn)。然而在羊卵母細胞成熟過程中，H3K9、H4K12 從GV 期到MII期表現(xiàn)乙?；琀4K5 直到MII 期發(fā)生乙?；瘉G失，這與豬和小鼠的研究結(jié)果相反。H3K9 在GV 期和MII 期表現(xiàn)三甲基化。哺乳動物卵母細胞成熟過程中組蛋白甲基化和乙?；兓姳?-2。以上研究表明，已經(jīng)探明的組蛋白修飾位點顯示卵母細胞成熟過程中整體呈現(xiàn)乙?；?去乙酰-乙酰化形式動態(tài)變化趨勢，而且一些位點在AT I 期存在明顯變化，這表明組蛋白乙?；兓c減數(shù)分裂時期顯著相關(guān)。而大部分組蛋白甲基化修飾在整個減數(shù)分裂期間表現(xiàn)穩(wěn)定化趨勢。同時在不同物種間組蛋白修飾也表現(xiàn)不同狀態(tài)，牛、羊卵母細胞成熟過程中乙?；瘉G失速率低于豬和小鼠，顯示卵母細胞成熟過程中組蛋白修飾變化具有物種特異性，組蛋白甲基化相比乙?；w更加穩(wěn)定，同時在一個位點可以多個甲基化同時存在，甲基化數(shù)量不同決定著不同功能。

表1 卵母細胞成熟過程中組蛋白乙酰化修飾變

2 哺乳動物早期胚胎的動態(tài)組蛋白修飾

受精后的早期胚胎發(fā)育與前期減數(shù)分裂過程緊密相連，組蛋白甲基化和乙酰化修飾持續(xù)存在且趨向動態(tài)變化。早期胚胎組蛋白甲基化和乙?；癄顟B(tài)見表3。在豬早期胚胎細胞的細胞核內(nèi)可以檢測到H3K27 甲基化修飾，且單甲基化、二甲基化和三甲基化信號會一直維持到囊胚期，此外H3K27 乙?；瘡姸葧饾u減弱，在八細胞期（8-cell）最弱，隨后乙?；饾u恢復(fù)。H3K23 位點趨向穩(wěn)定的甲基化和乙?；瘉G失狀態(tài)，只有在囊胚期恢復(fù)乙?；约霸谝患毎冢?-cell）表現(xiàn)弱三甲基化。小鼠早期胚胎在一細胞期與二細胞期（2-cell）階段H3K9/K14 和H4K5 發(fā)生乙?；?。組蛋白H3K9、H3K4 甲基化狀態(tài)從卵母細胞一直延續(xù)到早期胚胎階段，相反H3K79 位點在卵母細胞受精后甲基化逐漸丟失，在四細胞期（4-cell）甲基化略有上升并維持在較低水平，值得注意的是H3K79 二甲基化在胚胎細胞有絲分裂（M 期）期間會短暫升高，其他時期都表現(xiàn)去甲基化狀態(tài)。同時H3R17 和H4R3 位點在受精過程中發(fā)生甲基化丟失，H3R17 在受精階段表現(xiàn)微弱甲基化且在細胞質(zhì)中呈現(xiàn)點狀分布，H4R3 在雌原核中表現(xiàn)甲基化丟失，但隨著胚胎的發(fā)育甲基化逐漸恢復(fù)。然而在牛體外受精過程中，早期胚胎呈現(xiàn)穩(wěn)定的甲基化和乙?；癄顟B(tài)。在羊受精卵中H3K9 修飾狀態(tài)與小鼠類似，受精完成后只在雌原核中表現(xiàn)H3K9三甲基化，相反雄原核不表現(xiàn)。上述研究結(jié)果表明組蛋白修飾在早期胚胎發(fā)育過程中起到十分重要的作用，同時這階段組蛋白修飾變化更加豐富且位點的定位不僅限于細胞核。

表2 卵母細胞成熟過程中組蛋白甲基化修飾變化

表3 早期胚胎細胞組蛋白甲基化修飾與乙?；揎?/p>

3 組蛋白修飾對哺乳動物卵母細胞及早期胚胎發(fā)育過程的影響

3.1 組蛋白修飾酶在哺乳動物卵母細胞及早期胚胎中表達 卵母細胞成熟及早期胚胎發(fā)育是一個連續(xù)過程，此過程中正常的組蛋白甲基化和乙酰化修飾確保了胚胎后續(xù)發(fā)育。組蛋白甲基化修飾主要由組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（HMT）催化完成，乙?；瘎t主要是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）和組蛋白去乙酰化酶（HDACs）共同調(diào)控。為研究卵母細胞成熟及早期胚胎發(fā)育過程中組蛋白修飾變化的影響因素，本文主要探討組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶、組蛋白去乙?；敢约敖M蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶在這一階段的表達水平變化。HATs 和HDACs 的表達水平對小鼠卵母細胞減數(shù)分裂以及孤雌激活（PA）起到至關(guān)重要的調(diào)控作用，Zhang 等通過研究HAT 基因和和HDAC 基因和，發(fā)現(xiàn)和表達在GV 期、MII 期和PA 中呈現(xiàn)先降低后升高狀態(tài)，而且5個基因呈現(xiàn)相反表達水平。賴氨酸特異性去甲基化酶4A（KDM4A）可以特異性去除H3K4 三甲基化標(biāo)記的啟動子甲基化，KDM4A 缺失會導(dǎo)致卵母細胞異常的H3K9 三甲基化累積，使合子基因組激活過程中基因轉(zhuǎn)錄激活降低。在豬卵母細胞GV 期生發(fā)泡中檢測到HDAC 主要定位在染色質(zhì)缺失區(qū)，在GVBD 期主要分布在染色質(zhì)外圍，MII 期HDAC 消失，表明HDAC 的活性與卵母細胞減數(shù)分裂周期存在相關(guān)性。Sin3a 是包含HDAC1/2 的復(fù)合物，Jimenez 等研究發(fā)現(xiàn)Sin3a mRNA 在卵母細胞成熟過程中被招募，抑制其招募不僅會抑制2-cell 期后的發(fā)育，而且會降低重編程基因表達的保真度。小鼠卵母細胞發(fā)育到15 日齡，和基因表達量顯著提高。期間H3K9、H3K18和H4K12 乙?；潭纫蚕鄳?yīng)提高。這些結(jié)果說明HDAC 在調(diào)控組蛋白乙?；^程中起到重要作用。胚胎細胞初始階段的生命活動主要依靠母源物質(zhì)維持，在胚胎基因激活前后，和的mRNA 一直存在。和在胚胎基因激活前后相對豐都存在顯著差異，SUV39H1/2 介導(dǎo)組蛋白H3K9 三甲基化阻礙細胞重編程過程，DCAF13通過使SUV39H1 泛素化，導(dǎo)致H3K9 三甲基化丟失從而影響早期胚胎細胞重編程，但令人注意的是這期間HAT mRNA 相對豐度沒有變化。和是H3K27 的甲基化調(diào)控因子。卵母細胞及早期胚胎發(fā)育過程中在H3K27 位點存在甲基化，H3K27 三甲基化在2-cell 和4-cell 期胚胎細胞中水平很低或檢測不到。從4-cell 開始，和轉(zhuǎn)錄水平顯著提高，EZH2 則相反。SETD2 是一種H3K36 甲基轉(zhuǎn)移酶，基因缺失會引發(fā)卵母細胞基因組表觀修飾發(fā)生廣泛變化，包括H3K36 三甲基化丟失、DNA 甲基組錯誤，從而導(dǎo)致卵母細胞成熟缺陷以及胚胎細胞停滯發(fā)育。總的來說，在卵母細胞以及早期胚胎發(fā)育過程中多種組蛋白修飾酶通過調(diào)控組蛋白修飾來維持正常的細胞功能及細胞狀態(tài)。此外一些外源物質(zhì)也可以起到類似效果，VC 可以促進豬卵母細胞減數(shù)成熟以及提高體外成熟率，Yu 等研究發(fā)現(xiàn)VC 處理提高以及表達水平，抑制表達水平。

3.2 組蛋白修飾酶對細胞內(nèi)組蛋白修飾變化的影響 隨著蛋白修飾組學(xué)的發(fā)展，越來越多的蛋白修飾酶被人們發(fā)現(xiàn)，但它們的具體功能還得不到驗證。丁酸鈉是一種天然的組蛋白乙?；敢种苿?，用丁酸鈉處理卵母細胞和早期胚胎細胞使H3K9 乙酰化發(fā)生改變，同時會抑制卵母細胞發(fā)育，然而少量丁酸鈉促進早期胚胎發(fā)育。曲古抑素A 處理卵母細胞會誘導(dǎo)染色體組蛋白高乙?；渫ㄟ^抑制HDAC6 導(dǎo)致減數(shù)分裂停滯、-微管蛋白以及H4K16 乙?；黾?、H3T3、H3S10 磷酸化降低，同時會抑制甲基化基因以及細胞周期基因的表達。用曲古抑素A 處理小鼠卵母細胞和早期胚胎細胞，發(fā)現(xiàn)H3K9/K14 和H4K5 乙酰化水平升高，豬卵母細胞GVBD 延遲。組蛋白H4K12 乙酰化在小鼠卵母細胞成熟過程中水平顯著降低甚至檢測不到，用放線菌酮處理MII 期卵母細胞導(dǎo)致H4K12 重新乙?；?，表明HDAC 在卵母細胞減數(shù)分裂過程中起到調(diào)控乙?；饔?，HAT 在MII 期喪失調(diào)控功能。TRX 是一類著絲粒異染色質(zhì)結(jié)合蛋白，具有染色質(zhì)重構(gòu)活性。用曲古抑素A 抑制小鼠卵母細胞的HDAC 表達，通過破壞TRX與著絲粒的結(jié)合致使MII 期染色體排列異常，影響卵母細胞的正常發(fā)育。CFP1 是小鼠卵母細胞H3K4 三甲基化的主要調(diào)節(jié)因子，通過卵母細胞特異性的基因敲除、CFP1 功能抑制或H3K4 去甲基化都會抑制減數(shù)分裂以及MI 停滯現(xiàn)象。MC1568 是一種無毒性的去乙?；种苿?，用MC1568 處理SCNT 胚胎可以提高1-cell 與2-cell 階段的乙?；瑥亩龠M豬SCNT 胚胎的體外發(fā)育。H3K79 可以被組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶Dot1 家族特異性甲基化，缺乏Dot1L 蛋白會使小鼠卵母細胞減數(shù)分裂MI 期受到抑制。上述研究表明，抑制組蛋白修飾酶表達使組蛋白修飾發(fā)生錯誤從而導(dǎo)致基因錯誤表達以及細胞周期紊亂。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種可以調(diào)控組蛋白乙酰化和甲基化的酶。很多報道探究了這些酶對一個或多個位點的組蛋白修飾的影響，但目前還無法得出這些酶調(diào)控組蛋白修飾的確切結(jié)論。

4 結(jié) 語

組蛋白修飾在基因激活、細胞重編程過程中具有重要調(diào)控作用，而卵母細胞成熟及早期胚胎正常發(fā)育需要正確的組蛋白甲基化和乙?；揎椖Ｊ剑@需要相應(yīng)的組蛋白修飾酶表達來調(diào)控減數(shù)分裂、胚胎發(fā)育以及細胞分化等生物過程。隨著組蛋白修飾在許多疾病中的作用機制的深入研究，組蛋白修飾的功能及其調(diào)控機制研究受到廣泛關(guān)注。然而，關(guān)于組蛋白修飾的研究主要集中于人和小鼠，在家畜方向的研究報道較少。豬、牛、羊可以作為人類疾病的動物模型，以其作為研究對象有利闡明組蛋白修飾在疾病中的調(diào)控模式，以便尋找疾病相關(guān)的抑制劑和靶標(biāo)標(biāo)志物，從而找到治療疾病的新方向。目前關(guān)于組蛋白修飾在生殖領(lǐng)域的研究較少，綜合現(xiàn)有研究報道表明組蛋白修飾動態(tài)變化影響減數(shù)分裂以及早期胚胎發(fā)育過程，具體影響機制有待進一步研究。此外，組蛋白修飾的研究技術(shù)也在不斷發(fā)展，隨著對組蛋白修飾各方面研究的進一步增加有望挖掘更多修飾變化規(guī)律，從而為提高動物的繁殖能力以及提高優(yōu)質(zhì)動物的使用年限提供理論基礎(chǔ)。