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Cell:人類(lèi)原始生殖細胞研究獲重要成果

2015-06-06 來(lái)源:健客網(wǎng)社區  標簽: 掌上醫生 喝茶減肥 一天瘦一斤 安全減肥 cps聯(lián)盟 美容護膚
摘要:人類(lèi)原始生殖細胞產(chǎn)生于胚胎發(fā)育的早期,是發(fā)育為成熟的精子和卵細胞的前體細胞,精卵結合后會(huì )發(fā)育成新的個(gè)體、并將遺傳物質(zhì)傳遞給下一代以維持種族的延續。

  6月4日,國際知名學(xué)術(shù)期刊CELL以封面文章的形式發(fā)表了北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心湯富酬研究組和北京大學(xué)第三醫院?jiǎn)探苎芯拷M的最新研究成果——人類(lèi)原始生殖細胞的轉錄組和DNA甲基化組概觀(guān)(TheTranscriptomeandDNAMethylomeLandscapesofHumanPrimordialGermCells)。該項工作系統、深入地研究了人類(lèi)多個(gè)發(fā)育階段原始生殖細胞(PGC)的轉錄組和DNA甲基化組,發(fā)現人類(lèi)原始生殖細胞不同于小鼠原始生殖細胞的關(guān)鍵獨特特征。

  人類(lèi)原始生殖細胞產(chǎn)生于胚胎發(fā)育的早期,是發(fā)育為成熟的精子和卵細胞的前體細胞,精卵結合后會(huì )發(fā)育成新的個(gè)體、并將遺傳物質(zhì)傳遞給下一代以維持種族的延續。因此,對人類(lèi)早期胚胎以及原始生殖細胞的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行深入的研究對于理解人類(lèi)胚胎發(fā)育特征以及對于反復流產(chǎn)、胚胎停育、不孕不育等疾病發(fā)病機制的認識具有重要意義?;蚪MDNA甲基化作為一種重要的表觀(guān)遺傳修飾方式,是調控細胞分化發(fā)育過(guò)程中基因表達的主要機制之一,它并不改變基因序列,但是可以遺傳給后代,容易受外界環(huán)境的影響而發(fā)生改變,在胚胎發(fā)育、干細胞分化、癌癥發(fā)生等方面發(fā)揮著(zhù)重要的作用。過(guò)去人們以小鼠作為模式動(dòng)物進(jìn)行研究,發(fā)現了復雜基因表達調控網(wǎng)絡(luò )和大規模DNA甲基化重編程對于早期胚胎以及原始生殖細胞發(fā)育的調控規律。但是由于物種間的差異,這些以小鼠為模型得出的調控規律是否適用于人類(lèi)早期胚胎和原始生殖細胞的發(fā)育過(guò)程并不清楚。人類(lèi)胚胎在發(fā)育過(guò)程中有兩輪大規模的DNA甲基化組重編程發(fā)生。第一輪發(fā)生在受精后的植入前胚胎中,第二輪發(fā)生在植入后的生殖細胞中。

  北京大學(xué)研究團隊利用自己團隊在國際上率先發(fā)展的高靈敏度的DNA甲基化組高通量測序技術(shù),首先對人類(lèi)植入前胚胎的DNA甲基化圖譜進(jìn)行了單堿基分辨率的、全基因組測序分析,發(fā)現人類(lèi)精卵結合后,早期胚胎的基因組DNA發(fā)生大規模的去甲基化,甲基化程度從精子中的86%(中位數)降低到囊胚期胚胎中的43%,而在這一過(guò)程中印記基因控制區域的DNA甲基化得以精確的維持。在植入后的胚胎中,基因組DNA被大規模重新甲基化,DNA甲基化水平增加到92%。該項研究還發(fā)現了DNA甲基化組重編程對于基因表達網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵調控特征。相關(guān)的研究成果發(fā)表在2014年7月的Nature上。該項研究為人們提供了一個(gè)深入分析人類(lèi)早期胚胎發(fā)育過(guò)程中基因表達網(wǎng)絡(luò )表觀(guān)遺傳調控的坐標系統。

  在此基礎上,該研究團隊對人類(lèi)胚胎中第二輪DNA甲基化組重編程過(guò)程及其對基因表達網(wǎng)絡(luò )的調控關(guān)系進(jìn)行了深入、全面的分析。在正常情況下,一個(gè)植入后胚胎內大部分組織器官的基因組DNA加上甲基化標記后就基本維持穩定、不再擦去,而含有要傳遞給后代遺傳信息的原始生殖細胞則要經(jīng)歷大規模的DNA甲基化擦除和重建的過(guò)程。該團隊利用精細的流式細胞分選技術(shù)對于不同發(fā)育階段以及不同性別的人類(lèi)原始生殖細胞進(jìn)行了分選、收集,再結合單細胞轉錄組高通量測序、微量細胞DNA甲基化組高通量測序、微量細胞DNA羥甲基化組高通量測序等技術(shù)、以及細胞免疫熒光技術(shù),對人類(lèi)原始生殖細胞的轉錄組、DNA甲基化組、以及組蛋白共價(jià)修飾等關(guān)鍵特征進(jìn)行了深入的分析。

  該項研究發(fā)現,與小鼠原始生殖細胞類(lèi)似,處于發(fā)育早期階段的人類(lèi)原始生殖細胞也會(huì )表達一系列與干細胞多能性相關(guān)的基因(例如OCT4、NANOG和REX1等),印證了用小鼠作為模式動(dòng)物研究原始生殖細胞發(fā)育過(guò)程的重要性。另外一方面,與小鼠不同的是,人類(lèi)原始生殖細胞并不表達關(guān)鍵的轉錄因子基因SOX2,取而代之的是表達另外兩個(gè)SOX家族基因——SOX15和SOX17。同時(shí),人類(lèi)原始生殖細胞還表達一系列與生殖細胞發(fā)育相關(guān)的基因(例如KIT、TNAP、AP2γ和NANOS3等)。與早期處于有絲分裂階段的細胞相比,進(jìn)入減數分裂階段的人類(lèi)原始生殖細胞其轉錄組發(fā)生明顯改變,同時(shí)細胞之間的異質(zhì)性也大大增強,提示原始生殖細胞在進(jìn)入減數分裂停滯期時(shí)同一個(gè)胚胎的不同生殖細胞處于顯著(zhù)不同的發(fā)育狀態(tài)。其次,在人類(lèi)植入后雌性胚胎中,每個(gè)細胞的兩條X染色體中的一條會(huì )隨機失活,以保持兩性的X染色體劑量相同(兩性都保持每個(gè)細胞中只有一條活躍轉錄的X染色體)。而在人類(lèi)雌性胚胎的生殖細胞中失活的那條X染色體會(huì )被重新激活,該團隊發(fā)現這一過(guò)程在發(fā)育第4周的雌性原始生殖細胞中就已經(jīng)完成了,明顯早于小鼠原始生殖細胞中X染色體的重新激活。第三,人類(lèi)原始生殖細胞在發(fā)育過(guò)程中會(huì )經(jīng)歷大規模的DNA甲基化擦除,并且在發(fā)育到第10-11周時(shí),DNA甲基化水平降低13倍達到了最低點(diǎn),從植入后早期胚胎中的92%降低到此時(shí)的7%左右。這是人類(lèi)所有已知類(lèi)型的正常細胞中DNA甲基化程度最低的細胞類(lèi)型,說(shuō)明原始生殖細胞的DNA甲基化組具有鮮明的獨特性。第四,雖然人類(lèi)原始生殖細胞基因組中絕大部分區域的DNA甲基化被完全擦除,但在一些重復序列原件上仍然殘留大量DNA甲基化,尤其是微衛星序列ALR(37%)以及一些進(jìn)化上比較年輕的重復原件,如L1(23%)、Alu(12%)和ERVK(30%)等,為人類(lèi)隔代遺傳現象的表觀(guān)遺傳學(xué)分析提供了有用的線(xiàn)索。最后,在如此大規模的DNA甲基化組重編程過(guò)程中,轉錄組水平的基因表達網(wǎng)絡(luò )保持了高度穩定,組成性異染色質(zhì)也保持穩定,提示表觀(guān)遺傳調控的其他關(guān)鍵組分、特別是組蛋白的各種共價(jià)修飾在這一過(guò)程中可能起了關(guān)鍵作用。

  該項工作首次分別在單細胞以及單堿基分辨率對人類(lèi)原始生殖細胞的轉錄調控網(wǎng)絡(luò )和DNA甲基化重編程過(guò)程進(jìn)行了深入、系統的分析,加深了對人類(lèi)原始生殖細胞的發(fā)育以及表觀(guān)遺傳重編程過(guò)程的認識。為人類(lèi)生殖細胞的表觀(guān)遺傳重編程、早期胚胎全能性的建立、DNA甲基化的隔代遺傳、以及胚胎干細胞向精卵定向分化等問(wèn)題的探究提供了理論基礎。對輔助生殖技術(shù)的安全性評估、疾病對后代影響的評價(jià)、以及臨床上生殖細胞發(fā)育異常相關(guān)疾病的研究具有非常重要的意義。

  北京大學(xué)的郭帆博士、閆麗盈博士、博士生郭紅山、博士生李琳是這篇論文的并列第一作者。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心的湯富酬研究員和北京大學(xué)第三醫院的喬杰教授是該論文的共同通訊作者,北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心的高毅勤研究組參與了該項研究的關(guān)鍵生物信息學(xué)分析工作。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重大科學(xué)研究計劃、北京市科委前沿項目基金、以及北大清華聯(lián)合中心基金等支持。

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