从“二”到“一”：斑马鱼早期合子中（该合子缺乏精蛋白）染色质重塑的时空图谱

《Epigenetics & Chromatin》：From two to one: spatiotemporal mapping of chromatin remodelling in the protamine-lacking early zygote of zebrafish

　　

摘要

背景

在受精过程中，两个高度特化的配子基因组必须迅速重新编程成一个全能性细胞核。在哺乳动物中，这一转变以鱼精蛋白向组蛋白的显著转换以及亲本原核之间的显著不对称性为特征。斑马鱼提供了一个不同的脊椎动物模型：其精子染色质已经以核小体的形式存在，并带有活性和抑制性的组蛋白修饰，因此不需要替换鱼精蛋白。这种基于组蛋白的染色质结构为我们提供了独特的机会，可以直接在体内观察亲本染色质转变的起始和协调过程。尽管斑马鱼是发育生物学中一个被广泛认可的模型生物，但其受精过程中的详细细胞和分子步骤，尤其是亲本染色质重塑的时间和协调机制，仍大部分未知。

结果

我们使用免疫荧光技术结合旋转盘共聚焦显微镜，在3,549个斑马鱼胚胎中以分钟级的时间间隔，对受精到第一次分裂过程中的组蛋白变体及其翻译后修饰进行了分析。这项研究明确了受精的主要步骤，包括精子进入、染色质解凝以及亲本原核的形成、扩张和邻近过程。在这些阶段中，母本和父本基因组几乎同步发生重塑。与激活相关的标记（H3K4me1/2/3、H3K9ac、H4K12ac）在受精后不久出现，通过邻近作用扩散到两个原核中，并在有丝分裂前消失。通常与紧密或类似异染色质状态的染色质相关的组蛋白修饰H3K9me3从最早的研究时间点就开始存在，并在原核成熟过程中变得更加明显，而H3K27me3在任何阶段都未被检测到。H2A.Z在精子进入后表现出明显的父本富集，在两个原核邻近过程中也能被检测到，但母本信号较弱。极体没有显示出与合子原核中观察到的广泛染色质重塑相似的变化。在配子中，精子含有核心组蛋白和甲基化标记，但缺乏乙酰化，表明其处于紧凑的、半活跃的染色质状态；而未受精的卵子则表现出H3K9me3和H3S10ph，但没有激活标记，这与减数分裂停滞的状态一致。

结论

斑马鱼的受精过程涉及直接的、基于组蛋白的染色质重塑，这一过程不涉及鱼精蛋白的替换，并且在两个亲本原核中几乎同时发生。精子基因组在进入受精时已经处于半活跃的、与组蛋白结合的状态，这使得两个亲本染色质的快速和协调重塑成为可能。这一过程导致染色质构型的短暂变化，其对称性优于哺乳动物系统中所描述的。