文摘
在哺乳动物中,生殖细胞保证跨代遗传和表观遗传信息的继承,新生物的起源。在胚胎发育过程中,胚泡形成的早期阶段,由一个内细胞团多能,并可能产生的胚胎干细胞(ESCs)。内细胞团经历脱甲基作用过程,将重新甲基化状态,类似于体细胞外胚层稍后阶段。原始生殖细胞(包括)将很快形成,伴随着基因组脱甲基作用的过程。与输入的男性性别决定基因,精原干细胞(精原细胞)产生并接受精子形成的过程。精子发生是一个微妙的监管过程中各种规定了保证正常细胞有丝分裂和减数分裂。所有这些过程中,特别是在精细胞的发展,DNA甲基化和组蛋白修饰是至关重要的。在本文中,我们将讨论的表观遗传修饰受精卵形成成熟精子生成这些发展过程及其意义。
1。介绍
表观遗传修饰的改变动态过程中生殖细胞的发展。在受精卵在第一轮有丝分裂之前,产假和陪产的基因组来源进行健壮的主动和被动脱甲基作用[1]。此后,在有丝分裂期间,甲基化的模式继续变化,最终从胚胎囊胚滋养层和内细胞团组成的细胞。内细胞团,导数的胚胎干细胞来源,谎言在胚泡在小鼠胚胎3.5天(E3.5)。植入前,这个时间点展品最低的甲基化水平(2]。此后,在胚胎发育的过程中,外胚层显示全球remethylation E5.5迅速。在E5.5, DNA甲基转移酶的活动种能阻碍DNMT3b DNMT3a和活跃,导致快速的全基因组DNA甲基化。在此期间,DNA甲基化是针对生殖系基因在很大程度上,和合适的甲基化将导致损失的激活特定基因在胚胎3]。全基因组表观遗传状态在热解色谱进行广泛的重组擦DNA甲基化,从而保障两性收购一个等价的表观遗传状态(4]。然后,在雄性老鼠,性别表观遗传模式,禁令开始在出生之前(e15.5 - 18.5) prospermatogonia并完成remethylation出生后在减数分裂粗线期的终止(D10-19) [5]。
在这篇综述中,我们总结当前的知识关于ESC分化过程中表观遗传修饰的外胚层,热解色谱,SSC,最后精子形成的过程。
2。胚胎干细胞
胚胎干细胞(ESCs)无限期多能干细胞能自我更新(6]。他们能够分化成三个胚芽层分化刺激下(7,8]。多能性的维持,规定从转录表观遗传修饰都是至关重要的因素9]。
2.1。ESCs的分子调控
转录因子OCT4、SOX2 NANOG是三个最重要的转录因子在ESC多能性维护,和他们可以单独功能和形成一个三巨头构成复杂的监管网络(10- - - - - -12]。OCT4是一个广为接受的多能性因子,发挥主导作用的多能性维护;SOX2还基本保留ESCs的最大的多能性能力(13]。OCT4 SOX2开始显示内细胞群表达水平高,但是他们的水平减少输入上胚层的细胞阶段。不像OCT4和SOX2, NANOG是高度表达的内细胞团以及胚胎的外胚层细胞。ESCs NANOG缺乏胚胎不能发展,但是这样的胚胎可以隔绝在体外,表明NANOG是重要的调节细胞命运在开发的早期阶段,尽管他们不是必要的自我更新(14]。
2.2。ESCs的表观遗传调控
表观遗传规则通常与ESCs的多能性状态有关。这是表明基态天真的多能性的ESCs鼠标(在我的生活培养)导致DNA甲基化水平低(15- - - - - -17),一个平面模式H3K27me3转录起始站点和一个低水平的启动子bivalency (H3K4me3 / H3K27me3) (18,19),和一个低水平的H3K9me2 [20.),相比传统文化(胎牛血清和生活)或多能epiblast-derived干细胞等州。此外,女性的ESCs万能,展览XaXa X染色体、强烈表达下调基因DNA甲基化(16]。
CpG甲基化是非常重要的在控制表观遗传基因沉默和基因组稳定维护。在哺乳动物中,CpG甲基化状态是由协调三个CpG DNA甲基转移酶(DNMTs),即DNMT1,种能阻碍DNMT3b DNMT3a,21,22]。在老鼠身上,删除Dnmt1和Dnmt3b导致胚胎杀伤力,删除Dnmt3a结果在产后杀伤力21,22),这表明他们在开发中扮演了关键角色。ESCs然而,仍然可以维持染色体稳定并具备干细胞属性没有CpG甲基化引起的基因敲除这三个DNMTs三倍在体外(23]。此外,被动引起的脱甲基2我在抑制DNMT3a治疗结果,DNMT3b, DNMT3L ESCs的hypomethylated状态(15,17,24]。
除此之外,一千零一十一年易位(春节)家族蛋白质也是DNA甲基化的重要监管机构通过转换5-methylcytosine (5 mc) 5-hydroxymethylcytosine (5 hmc)的DNA (25]。TET1和TET2都能够把5 mc 5 hmc,然而他们规定5 hmc鼠标ESCs截然不同,TET1功能主要在转录起始站点,而TET2减少5 hmc基因体内(26]。ESC分化后,TET1和TET2水平将下调;相反,当纤维母细胞重新编程为诱导多能干细胞(万能)TET1和TET2水平将会增加(27]。这些发现表明TET1 TET2与多能状态密切相关。建议OCT4,有趣的是,这是足够的体细胞诱导多能性的表达其他重组因子,可以取代TET1在重组鸡尾酒28]。
此外,polycomb复合物和混合排列白血病(MLL)介导的组蛋白修饰也很重要。据报道,polycomb复合物调节数百个基因在哺乳动物和昆虫29日]。在干细胞,他们转录监管机构通过表观遗传修饰,控制干细胞的身份和分化。polycomb中压抑的复合物(prc文件),PRC1和PRC2关注最近的研究(30.]。PRC2是H3K9me3粘合剂所需维护异染色质和本质上是H3K7me3水平(31日,32]。据报道,SUZ12形成PRC2/3 EZH2和速度,需要对细胞增殖和活动以及PRC2或PRC3复合物的稳定。有趣的是,SUZ12不足导致的损失dimethylation和trimethylation H3K27 [33,34]。此外,速度ESCs不足导致大幅减少EZH2水平和减少组蛋白H3K27甲基化水平(35,36]。此外,带不带Ezh2父亲的基因的表达导致废除收缩和激活的独联体基因植入胚胎外的组织(36]。特别是,速度淘汰赛的ESCs缺乏所有H3M27甲基化(35),而SUZ12淘汰赛的ESCs保持H3K27me1部分(34),暗示速度可能函数上游PRC2以及作为PRC2的一部分。
MLL家庭包含大量的成员,其中MLL1和MLL2最调查多能性。MLL1主要致力于促进monomethylation H3K4,而主要调节trimethylation H3K4 MLL2功能。因此,MLL1和MLL2影响自我更新和多潜能的ESCs通过调节H3K4甲基化状态的(37,38]。据报道,在MLL1-null外胚层干细胞,细胞重新编程将会启动和细胞恢复天真的多能性状态(39]。此外,在ESCs,删除MLL2将导致细胞凋亡概要以及异常分化(40]。
3所示。原始生殖细胞
老鼠胚胎的发展期间,一群约40细胞出现E7.25尿囊的底部,这是碱性磷酸酶阳性和公关领域包含1,ZNF域(Prdm1),被认为是热解色谱的前兆41,42]。不久之后,这些细胞表现出极化形态。在E7.75,他们迁移到发展后肠和殖民生殖器山脊在E10.5 [42,43]。
3.1。分子的控制包括
在这个过程中,包括增殖强劲和表达他们的特定基因。在监管机构在这一过程中,(公关域包含蛋白质1)Prdm1和Prdm14是两个最重要的蛋白质包括规范。Prdm1最初确认为一种转录抑制因子。它可以与各种表观遗传监管者上下文相关的方式主要是为了抑制体细胞基因的转录,刺激包括特定基因的表达(19,44]。Prdm14也作为一个转录监管机构是必要的,包括规范(45]。Prdm1和Prdm14也包括表观遗传规则的关键,实现协同调控下游基因的表达,从而促进热解色谱的多能性43,46- - - - - -48]。
3.2。在包括表观遗传重编程
在包括迁移和扩散的过程中,DNA甲基化水平应该控制准确,保证适当的消除父母的基因组印记(49]。包括诱导的外胚层在E6.5和第一出现的人口在近端外胚层E7.25大约40细胞;E9.5,一群大约200包括开始迁移后肠内胚层和到达性腺的间叶原基约E10.5-E11.5 [50]。在这个过程中,总体甲基化水平在CpG二核苷酸逐渐减少,大量甲基化消除E9.5之前发生。此外,这种脱甲基作用过程是单向的,没有新创E6.5和E13.5之间的甲基化过程51]。E6.25,信号由骨形成蛋白(BMP)导致包括规范,这是由分配一些外胚层细胞变成热解色谱(52]。在包括规范,DNA甲基化重组全能性被激活。最近的一项研究构建小鼠PGC-like细胞的DNA甲基化地图(PGCLCs),诱导从ESC-derived epiblast-like细胞(EpiLCs),包括规范的模型。ESCs重组methylome形成EpiLCs通过hypomethylated域多能性监管区域,而PGCLCs不断稀释EpiLC methylome通过积累H3K27me3发展监管机构(53]。此外,几项研究来自不同团体报道replication-coupled被动的擦除DNA甲基化的机制。全基因组DNA脱甲基,期间包括熊新创或维护DNA甲基化的潜力,擦掉基因组印记不同利率,并显示快速细胞周期,没有明显的主要染色质变更(51,54,55]。重组成天真的多能性状态需要不同因素的交织在一起56]。其中,TET1——TET2-mediated 5 mc-to-5hmc转换是很重要的调节DNA甲基化水平和推动全面重组包括(57- - - - - -59]。据报道,TET1有害的丧失生殖细胞形成胚胎,将导致不育雌性和雄性60,61年]。影响DNA甲基化的另一个因素是斯特拉,这是第一个标记相关的表观遗传修饰在热解色谱的发展,增加表达水平在E7.0-E7.562年]。据报道,斯特拉是不可或缺的维护包括的甲基化状态,维修所需的受精卵(孕产妇基因组甲基化的63年]。UHRF1 NP95蛋白质编码,是至关重要的维持当地和全球的DNA甲基化和抑制反转位子活动和印迹基因的转录64年]。种能阻碍DNMT3b DNMT3a,是不可或缺的新创甲基化,从而为鼠标发展(21]。在野生型包括,两种能阻碍DNMT3b UHRF1和DNMT3a /是压抑的19,65年),导致缺乏新创DNA甲基化和维护机制,被认为是导致全球DNA脱甲基作用。与这种观点的一致性,基因组DNA甲基化是replication-coupled地抹去51,54,55,66年]。此外,PRDM14,只表达多能细胞和生殖细胞排列,是至关重要的篇作品潜在的多能性和表观遗传重编程。在PRDM14淘汰赛的胚胎,这两个事件没有发生即使在PRDM1的存在。PRDM14基因敲除小鼠生殖细胞,因此缺乏无菌,与全基因组表观遗传重编程和转移率的缺陷H3K9me2和H3K27me3突变包括(45]。此外,PRDM14击倒或可拆卸的研究还涉及PRDM14还参与hypomethylated州种能阻碍DNMT3b天真的ESCs压抑DNMT3a / (15,17,24]。
热解色谱主要是反映的组蛋白修饰的变化H3K9me2 H3K27me3,这是两个独特的包括组蛋白修饰模式包括重要的适当的发展。在鼠标的ESCs的感应EpiLCs PGCLCs在体外,这是证明EpiLCs H3K27me3含有低水平双价基因启动子,而PGCLCs失去H3K4me3 H3K27me3双价基因,相应增加。此外,PGCLCs失去H3K9me2逐渐导致核架构的变化,确保正常发展包括(19,67年,68年]。在热解色谱,H3K9me2 E7.25抑制,而在E8.25 H3K27me3增加(69年),这表明H3K9me2位于上游的组蛋白的修改。此外,组蛋白似乎不单独工作,但将与各种因素在热解色谱完成全基因组脱甲基作用。已经证明H3K9me2可以直接绑定斯特拉,和抑制STELLA H3K9me2将导致失败的招聘和DNA甲基化水平降低(70年]。此外,增加H3K27me3水平将增加Ezh2的水平,这是很重要的在多能性维护以及脱甲基的规定(71年]。
4所示。精子发生
4.1。精子形成的过程
精子发生是一个复杂的过程。在这个过程中,精原干细胞(精原细胞)推出各种调节机制来完成自我更新和分化之间的微妙的平衡72年]。最原始的细胞被称为一个spermatogonia,位于基底膜(73年]。成对spermatogonia,它包含两个区分spermatogonia连接由一个细胞间桥,将生成一个spermatogonia因为不完整的胞质分裂。然后,成对spermatogonia继续分裂和产生链4,8日,16日,有时32细胞,称为A-aligned spermatogonia,最终生成B型spermatogonia [74年- - - - - -76年]。
SSC的最后阶段有丝分裂产生B型spermatogonia,最终分为preleptotene精母细胞,反映减数分裂的开始。经过两轮的减数分裂,二倍体spermatogonia将分化成单倍体精子。最后,圆形精子进行精子形成,之后其形状拉长和经历细胞学变化,最后将生成和成熟精子(73年]。
4.2。表观遗传规则在精细胞的发展
精原细胞到高级精原细胞的分化没有适当的组蛋白的规定是无法完成的。事实上,规范组蛋白合成发生在s阶段将有效地在整个细胞周期中发挥作用(77年]。Spermatogonia维护多能状态在一个阶段A-aligned阶段。在这个阶段,monomethylated H3K27和H4K20完全缺乏和小monomethylated H3K9 [78年]。在spermatogonia,许多地区展示stage-specific微分位点甲基化模式和周围对精子发生和干细胞功能的活性至关重要(79年]。此外,精子形成可以推出不改变DNA甲基化模式,而是与转录相关的某些DNA-methylated发起人(80年]。从Prdm9-null小鼠精母细胞表达某些特定于常染色体基因,而减数分裂期间表达的基因应该是压抑的81年]。也报道,双突变Suv39h1 Suv39h2,这都是trimethyltransferase H3K9的基因,将导致nonhomologous染色体协会(82年]。因此,它是可能的,H3K4me3由Prdm9 H3K9,同源协会协会中扮演关键角色。
4.3。在精子形成后生规定
在精子形成过程中,组蛋白变体的表达是普遍的和大规模的。组蛋白变体包括H1T H1T2、H1LS1 TH2A, TH2b H3.3, H3.5。他们协同工作,是不可或缺的减数分裂进程以及成熟精子的形成(81年,83年]。
H1T在减数分裂的开始中扮演重要角色。与其他H1组蛋白相比,H1T H1耗尽oligonucleosomes结合更紧密,这有助于保持一个相对松散的染色体配置,保证减数分裂的开始84年,85年]。此外,H1T只检测到在中期late-pachytene精母细胞(85年,86年]。减数分裂的另一个重要的组蛋白是TH2B,显示高表达水平细线期精母细胞开始P10 [87年]。有趣的是,TH2A和TH2B基因位于染色体17和共享一个共同的启动子,这表明他们可能有冗余功能在生殖细胞(88年,89年]。
在精子形成过程中,大多数的核心组织蛋白将被替换,首先过渡蛋白,然后精蛋白,导致染色质hypercompaction [90年]。histone-protamine过渡是表观遗传调控的特点在男性生殖系的发展。在这个过程中,组蛋白H4 hyperacetylation和monoubiquitination H2A的发生,提出了更好的酶访问以及染色质remodelers [91年),并证明了一个重要的功能,但是不是唯一inducer-of histone-protamine过渡(92年]。适当的泛素化是另一个因素需要histone-protamine过渡,它已经表明,RNF8调解H2A、H2B是至关重要的组蛋白泛素化和正常的替换nucleoprotamines精子形成过程中(93年]。此外,甲基化也在精子形成的重要性,H3K79甲基化的表示在组蛋白替换发挥重要作用[94年,95年]。
在精子形成过程中,单倍体精子的细胞核浓缩通过核小体的置换与精蛋白基因组时尚。然而,核小体仍与精子基因组相关的一小部分。这一现象的生物学意义仍然是难以捉摸的,一直积极讨论(96年]。例如,尽管一些研究报道,保持核小体是优先富集在小鼠精子(启动子区域和外显子97年)和在人类精子发育重要的位点98年),其他的研究表明,在远端gene-poor保留核小体明显丰富地区和发展重要性显著减少促进剂(99年,One hundred.]。此外,核小体的一种均匀分布形式与人类精子的整个基因组中只有一小部分浓缩转录启动网站也观察到(101年]。
在精细胞伸长,组蛋白变体协同工作,从而保证具有正常功能的成熟精子的生产。例如,H1T2对顶体精子的形成至关重要的缺失将导致大大降低生育能力,因为异常精子细胞伸长以及有缺陷的DNA凝聚(102年,103年]。此外,H1SL1 H3.3, H3.5可以促进染色体的凝结,确保定期交流的组蛋白和精蛋白(81年,83年,104年]。
5。结论
遗传信息的传播中介,配子这些年来一直吸引着科学家们的注意。特别是,表观遗传调控模式研究广泛,在这一领域已经取得了很大进展。现在越来越清楚ESCs的表观遗传过程中修改控制热解色谱,然而,在精子发生调控机制仍然是难以捉摸的。然而,我们理解的表观遗传机制在ESC发展和精子形成的整个过程仍然是初步在某种程度上,我们知道它肯定更深入了解这些规定将大大有助于精子形成的研究。此外,我们应该注意到,包括从ESCs只是一个分化在体外调整系统,它作为一个平台用于重建的雄性或雌性单倍体生殖细胞发展(105年- - - - - -109年和生殖细胞表观基因组研究规范19,66年]。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
中国国家基础研究计划(2016 yfa0100203),中国国家自然科学基金项目(31272518和31272518),中国国家高技术研究发展计划(SS2014AA021605),陕西省的程序(2015 ny157)资助。