大家好，今天给大家分享一篇题为“Epigen etic dynamics during capaci tation of naïve human pluripo tent stem cells”（幼稚人类多能干细胞获能过程中的表观遗传学动力学）人类多能干细胞 (hPSC) 在再生医学中具有重要意义。人类多能性研究经常使用在引发状态下衍生并长期培养的 hPSC。
01
研究背景
人类多能干细胞（hPSCs）在再生医学中具有根本意义。幼稚的hPSC有望克服传统（引发）hPSC的一些局限性，包括复发性表观遗传异常。幼稚到引发的转变（获能）遵循人类胚胎外胚层的转录动力学，是体细胞从幼稚 hPSC 分化所必需的。
我们发现，与传统的 hPSC 相比，获电容的 hPSC 在转录上更接近植入后外胚层。这促使我们全面研究获能过程中的表观遗传和相关转录变化。我们的结果表明，CpG岛、基因调控元件和反转录转座子是获能过程中表观遗传动力学的热点，并表明特定表观遗传修饰在幼稚和引发hPSCs之间的基因表达控制中可能具有不同的作用。
出乎意料的是，PRC2活性似乎对于电容是可有可无的。我们发现，获电容的hPSCs获得与传统hPSCs相似的表观遗传状态。然而，值得注意的是，在常规女性 hPSC 中经常观察到的 X 染色体侵蚀通过复位和随后的获能来逆转。
见图一
将多能性状态映射到灵长类动物胚胎外胚层进程。
图一
（A） 获能过程中 RNA-seq 的实验设置 （9）。
（B） 用于比较的胚胎的单细胞 RNA-seq 数据，沿发育时间对齐 （25–27）。
（C） 使用所有表达基因计算的体外获能期间的 hPSC 与不同发育阶段的胚胎外胚层之间的 Pearson 相关性。
（D） 将获电容型和常规 hPSC 之间不同的基因集与胚胎外胚层进程期间动态表达的基因进行比较。在获电容型和常规 hPSC 之间差异表达的大多数基因与其在胚胎外胚层（左侧）中的动力学不匹配。基因本体论：体外和体内系统之间匹配和不匹配的基因集（右侧）。FDR， 错误发现率;FC， 倍数变化;ECM，细胞外基质;HS， 人类;Cy， 食蟹猴;ICM， 内细胞质量;PreEPI，胚胎植入前外胚层;EPI后，植入后外胚层;UP， 上调;DN，下调。
见图二
人类幼稚和引发的 PSC 的表观遗传分析。
图二
（A） ATAC-seq、ChIP-seq 和 PBAT（亚硫酸氢盐接头后标记）测序测定的实验设计图。
（B） 在所有条件之间，200 个含 CpG 的基因组窗口中前 500 个变化最大的差异表达基因、组蛋白修饰、ChIP-seq 差异峰、ATAC-seq 差异峰和 DNA 甲基化平均值的主成分分析。
（C）使用与PCA相同的数据输入和用于集成数据集的R包MOFA2生成的t分布随机邻域嵌入（t-SNE）图。
（D） ChIP-seq（H3K4me3、H3K27me3、H3K4me1、H3K27me3 和 H3K9me3 标记）和 ATAC-seq 峰重叠注释基因组区域的百分比以及每种条件的峰总数。
（E） 每种组蛋白修饰和条件的蛋白质印迹归一化结果。
（F） 以 CpG 分辨率计算的全基因组 DNA 甲基化百分比分布和以 CpG 分辨率计算的带注释基因组区域的 DNA 甲基化百分比分布。CpG甲基化水平分为三类：红色，“低”，甲基化百分比低于20%;蓝色为“中间”，甲基化百分比在 20% 到 80% 之间;绿色表示“高”，甲基化百分比高于 80%。
（G） 使用 ATAC-seq 和组蛋白修饰的 ChIP-seq 对齐读段构建的 ChromHMM 13 态全基因组模型。热图显示了不同条件下组蛋白修饰和染色质可及性的观察频率，包括平均甲基化百分比、按每个状态分类的基因组百分比以及顶部富集区域。该图的所有分析仅考虑常染色体，但ChromHMM除外，其中包括X和Y染色体。
见图三
PRC2抑制在体外不会干扰多能性区室。
图三
（A） H3K27me3 成员在获能过程中写入和擦除复合物的表达。
（B） 用UNC1999抑制剂抑制 PRC2 活性可降低 hPSC 中 H3K27me3 的整体水平，如蛋白质印迹所示。
（C） 用 PRC2 抑制剂 UNC1999 延长培养后幼稚和引发的 hPSC 的形态。
（D）测试PRC2抑制在获能过程中效果的实验设计。
（E） 在UNC1999存在下获能期间 hPSC 中 H3K27me3 水平降低，如蛋白质印迹所示。
（F） 在存在 PRC2 抑制剂UNC1999的情况下获能期间的标志物表达，通过定量实时 PCR （qRT-PCR） 显示。KDM，组蛋白赖氨酸去甲基化酶;RPM，每百万读取数。
见图四
使用顺式和反式全基因组 pQTL 作为工具变量鉴定的显着蛋白质-表型关联。热图仅使用 WashU 队列的分析生成。
图四
(A） 根据条件之间的甲基化百分比，从组蛋白修饰的 ChIP-seq、ATAC-seq 和含 200 个 CpG 的顶级变量区域的差异峰中提取因子 1 的 MOFA2 因子值。在右侧，R2表示因子 1 样品聚类中每个测序测定所解释的方差的值。
（B） 按模型加载权重排序的顶级特征（表示为“对模型的重要性”）。在右侧，通过因子 1 中绝对载荷权重高于 0.5 来选择顶部特征的基因组分布和大小。
（C） 在带注释的基因组区域上富集因子 1 中的主要特征。仅显示 FDR 低于 0.05 且 −log P 值高于 40 的结果。
（D） 丰富因素1中的主要特征，而不是重复元素。重复元素名称由重复族给出。仅显示 FDR 低于 0.05 且 −log P 值高于 40 的结果。
（E） DNA 甲基化百分比以及重叠重复元件的 ATAC-seq 和 ChIP-seq 峰的百分比。重复元素名称由重复族给出。
（F） “cR-H9 d0”和“cR-H9 d10”细胞、“cR-H9 d10”和“H9 引发”细胞以及“cR-H9 d10”和“H9 引发”细胞之间转座元件类别的差异表达。红色的结果是根据绝对对数选择的2倍数变化大于 2，调整后的 P 值小于 0.05。
（G） 以顶部 ATAC-seq 峰为中心的区域的表观遗传谱，根据因子 1 中高于 0.5 的绝对载荷重量选择。右侧是 MEME Suite 基序分析的顶部结果。该图中的所有结果都仅限于常染色体。5′UTR，5′非翻译区。
见图五
启动子表观遗传状态与基因表达之间的关联。
图五
（A）根据所有条件和表达模式之间的显著表达差异定义的RNA-seq基因簇。
（B） 与每个 RNA-seq 簇相关的顶级基因本体术语。
（C） RNA-seq簇基因的平均表达，其平均启动子染色质可及性和表观遗传修饰归一化计数。
（D）以基因表达为目标变量，以启动子表观遗传修饰水平为预测变量的多变量线性回归。本回归分析仅选择RNA-seq簇基因进行回归分析。在右侧，多变量线性回归模型中每个变量的相对重要性，由 R 包 relaimpo 中的“lmg”指标测量，以及多变量线性回归模型的每个变量和条件的回归系数。
（E） 由启动子表观遗传修饰水平解释的基因表达方差来自其他条件。
（F）基于启动子H3K27ac和H3K27me3水平的多元线性回归建模基因表达;启动子 H3K4me3 和 H3K27me3 水平;和启动子 ATAC-seq、H3K4me3、H3K9me3 和甲基化水平。
（G） 从所有蛋白质编码基因中与 TSS 重叠的 H3K4me3、H3K27ac 和 H3K27me3 组蛋白修饰中读取图谱± 2 kb。
（H） 根据与 H9 细胞中以下 ChIP-seq 峰组合的重叠进行分类的 TSS 的蛋白质编码基因的数量：仅 H3K27me3，“H3K27me3”;H3K4me3 与 H3K27me3 和 H3K27ac，“二价 + H3K27ac”;H3K4me3 与 H3K27me3，“二价”;H3K4me3 和 H3K27ac，“H3K4me3 + H3K27ac”;只有 H3K27ac，“H3K27ac”;只有 H3K4me3，“H3K4me3”;以及包含表观遗传标记 H3K4me3、H3K27ac 和 H3K27me3 之间所有剩余组合的“其他”类别。仅显示 cR-H9 第 0 天、cR-H9 第 10 天和 H9 引发细胞的结果。在右侧，来自所选类别的基因本体在条件之间转换。该图中的所有结果都仅限于常染色体。rRNA，核糖体RNA;ncRNA，非编码RNA。
见图六
传统hPSC的一轮重置和扩容将X染色体失活从侵蚀的景观中拯救出来。
图六
(A） 映射到 X 染色体的所有 ChIP-seq 和 ATAC-seq 峰的百分比。
（B） H3K27me3 和 H3K9me3 在 X 染色体和常染色体的 10 kb 窗口中缩放的对数转换归一化计数的分布。红线表示用于将基因组区域分类为高或低 H3K27me3 和 H3K9me3 的阈值。
（C） H3K27me3 和 H3K9me3 读取 X 染色体上幼稚、获电容第 10 天和常规 H9 细胞的计数曲线。（D） 长链ncRNAsXIST和XACT的基因表达水平。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，学生配对 t 检验。误差线表示三个独立实验的平均值为 1 SD。（E） 根据 H3K27me3 和 H3K9me3 缩放对数分类的 X 染色体中 10 kb 窗口数的流程图2-规范化计数阈值为 0.5。该分类包括包含高水平 H3K27me3 标记 （H3K27me3）、高水平 H3K9me3 标记 （“H3K9me3”）、高水平 H3K27me3 和 H3K9me3 标记 （“H3K27me3 + H3K9me3”） 和低水平两种标记的窗口 （低）。
（F） 流程图说明了 cR-H9 第 10 天（电容）和 H9 引发细胞（常规）中 X 染色体中 10 kb 窗口的数量。右侧是基因组特征的富集分析，以及红色表示的区域的重复。仅显示 FDR 低于 0.05、绝对比值比值高于 2 且 −log P 值高于 10 的结果。
（G） 在常规引发的 hPSC 中对 H3K27me3、XIST 和 XACT 的免疫 FISH，在一轮复位和获能后的细胞，以及在 XAF 或 E8 中额外扩增后的细胞。
（H） 免疫FISH的定量。比例尺，10μm。
（I） 用于 XIST 的 qRT-PCR。GAPDH，甘油醛-3-磷酸脱氢酶。
见图七
获能过程中的表观遗传动力学。
图七
幼稚 hPSC 可以来自植入前的 hICM 细胞或通过传统 hPSC 的（化学）重置。幼稚的 hPSC 可以被电容，在这个过程中，PRC2 活性似乎是可有可无的。虽然幼稚 hPSC 在转录上仍然接近植入前外胚层细胞，但与传统 hPSC 相比，获电容的 hPSC 在转录上更接近植入后外胚层。在获能过程中，hPSC表观遗传景观被全局重塑，包括全基因组DNA甲基化增加或H3K27me3减少。虽然基因组印记在幼稚 hPSC 中不会维持，也不会在获能过程中重新建立，但在常规女性 hPSC 中经常观察到的 X 染色体侵蚀可以通过复位和随后的获能来逆转。H3K27ac 和 H3K4me3 在基因表达控制中的作用在幼稚和引发的 hPSC 之间似乎是不同的。XCI，X染色体失活;DNAme，DNA甲基化。
02
研究结论
总而言之，我们生成并分析了一个全面的资源，对两种多能性状态下的活性和抑制性组蛋白修饰、DNA 甲基化、染色质可及性和转录进行了全局分析。我们相信，这一分析将成为未来研究的宝贵资源，旨在表征多能性并揭示人类胚胎发生涉及的分子机制。然而，需要进一步的实验来揭示表观遗传学和多能性之间的因果关系。未来的研究重点是增强子-启动子相互作用、表观遗传标记的扰动、细胞异质性、逆转录转座子的作用以及推定的中间多能状态，将大大提高我们对人类发育早期阶段表观遗传机制的理解。
好了，今天的文献解读就到这儿来，我们下期再见！如果你正在开展临床研究.需要方案设计.数据管理. 数据分析等支持.也随时可以联系我们。
01
研究背景
人类多能干细胞（hPSCs）在再生医学中具有根本意义。幼稚的hPSC有望克服传统（引发）hPSC的一些局限性，包括复发性表观遗传异常。幼稚到引发的转变（获能）遵循人类胚胎外胚层的转录动力学，是体细胞从幼稚 hPSC 分化所必需的。
我们发现，与传统的 hPSC 相比，获电容的 hPSC 在转录上更接近植入后外胚层。这促使我们全面研究获能过程中的表观遗传和相关转录变化。我们的结果表明，CpG岛、基因调控元件和反转录转座子是获能过程中表观遗传动力学的热点，并表明特定表观遗传修饰在幼稚和引发hPSCs之间的基因表达控制中可能具有不同的作用。
出乎意料的是，PRC2活性似乎对于电容是可有可无的。我们发现，获电容的hPSCs获得与传统hPSCs相似的表观遗传状态。然而，值得注意的是，在常规女性 hPSC 中经常观察到的 X 染色体侵蚀通过复位和随后的获能来逆转。
见图一
将多能性状态映射到灵长类动物胚胎外胚层进程。
图一
（A） 获能过程中 RNA-seq 的实验设置 （9）。
（B） 用于比较的胚胎的单细胞 RNA-seq 数据，沿发育时间对齐 （25–27）。
（C） 使用所有表达基因计算的体外获能期间的 hPSC 与不同发育阶段的胚胎外胚层之间的 Pearson 相关性。
（D） 将获电容型和常规 hPSC 之间不同的基因集与胚胎外胚层进程期间动态表达的基因进行比较。在获电容型和常规 hPSC 之间差异表达的大多数基因与其在胚胎外胚层（左侧）中的动力学不匹配。基因本体论：体外和体内系统之间匹配和不匹配的基因集（右侧）。FDR， 错误发现率;FC， 倍数变化;ECM，细胞外基质;HS， 人类;Cy， 食蟹猴;ICM， 内细胞质量;PreEPI，胚胎植入前外胚层;EPI后，植入后外胚层;UP， 上调;DN，下调。
见图二
人类幼稚和引发的 PSC 的表观遗传分析。
图二
（A） ATAC-seq、ChIP-seq 和 PBAT（亚硫酸氢盐接头后标记）测序测定的实验设计图。
（B） 在所有条件之间，200 个含 CpG 的基因组窗口中前 500 个变化最大的差异表达基因、组蛋白修饰、ChIP-seq 差异峰、ATAC-seq 差异峰和 DNA 甲基化平均值的主成分分析。
（C）使用与PCA相同的数据输入和用于集成数据集的R包MOFA2生成的t分布随机邻域嵌入（t-SNE）图。
（D） ChIP-seq（H3K4me3、H3K27me3、H3K4me1、H3K27me3 和 H3K9me3 标记）和 ATAC-seq 峰重叠注释基因组区域的百分比以及每种条件的峰总数。
（E） 每种组蛋白修饰和条件的蛋白质印迹归一化结果。
（F） 以 CpG 分辨率计算的全基因组 DNA 甲基化百分比分布和以 CpG 分辨率计算的带注释基因组区域的 DNA 甲基化百分比分布。CpG甲基化水平分为三类：红色，“低”，甲基化百分比低于20%;蓝色为“中间”，甲基化百分比在 20% 到 80% 之间;绿色表示“高”，甲基化百分比高于 80%。
（G） 使用 ATAC-seq 和组蛋白修饰的 ChIP-seq 对齐读段构建的 ChromHMM 13 态全基因组模型。热图显示了不同条件下组蛋白修饰和染色质可及性的观察频率，包括平均甲基化百分比、按每个状态分类的基因组百分比以及顶部富集区域。该图的所有分析仅考虑常染色体，但ChromHMM除外，其中包括X和Y染色体。
见图三
PRC2抑制在体外不会干扰多能性区室。
图三
（A） H3K27me3 成员在获能过程中写入和擦除复合物的表达。
（B） 用UNC1999抑制剂抑制 PRC2 活性可降低 hPSC 中 H3K27me3 的整体水平，如蛋白质印迹所示。
（C） 用 PRC2 抑制剂 UNC1999 延长培养后幼稚和引发的 hPSC 的形态。
（D）测试PRC2抑制在获能过程中效果的实验设计。
（E） 在UNC1999存在下获能期间 hPSC 中 H3K27me3 水平降低，如蛋白质印迹所示。
（F） 在存在 PRC2 抑制剂UNC1999的情况下获能期间的标志物表达，通过定量实时 PCR （qRT-PCR） 显示。KDM，组蛋白赖氨酸去甲基化酶;RPM，每百万读取数。
见图四
使用顺式和反式全基因组 pQTL 作为工具变量鉴定的显着蛋白质-表型关联。热图仅使用 WashU 队列的分析生成。
图四
(A） 根据条件之间的甲基化百分比，从组蛋白修饰的 ChIP-seq、ATAC-seq 和含 200 个 CpG 的顶级变量区域的差异峰中提取因子 1 的 MOFA2 因子值。在右侧，R2表示因子 1 样品聚类中每个测序测定所解释的方差的值。
（B） 按模型加载权重排序的顶级特征（表示为“对模型的重要性”）。在右侧，通过因子 1 中绝对载荷权重高于 0.5 来选择顶部特征的基因组分布和大小。
（C） 在带注释的基因组区域上富集因子 1 中的主要特征。仅显示 FDR 低于 0.05 且 −log P 值高于 40 的结果。
（D） 丰富因素1中的主要特征，而不是重复元素。重复元素名称由重复族给出。仅显示 FDR 低于 0.05 且 −log P 值高于 40 的结果。
（E） DNA 甲基化百分比以及重叠重复元件的 ATAC-seq 和 ChIP-seq 峰的百分比。重复元素名称由重复族给出。
（F） “cR-H9 d0”和“cR-H9 d10”细胞、“cR-H9 d10”和“H9 引发”细胞以及“cR-H9 d10”和“H9 引发”细胞之间转座元件类别的差异表达。红色的结果是根据绝对对数选择的2倍数变化大于 2，调整后的 P 值小于 0.05。
（G） 以顶部 ATAC-seq 峰为中心的区域的表观遗传谱，根据因子 1 中高于 0.5 的绝对载荷重量选择。右侧是 MEME Suite 基序分析的顶部结果。该图中的所有结果都仅限于常染色体。5′UTR，5′非翻译区。
见图五
启动子表观遗传状态与基因表达之间的关联。
图五
（A）根据所有条件和表达模式之间的显著表达差异定义的RNA-seq基因簇。
（B） 与每个 RNA-seq 簇相关的顶级基因本体术语。
（C） RNA-seq簇基因的平均表达，其平均启动子染色质可及性和表观遗传修饰归一化计数。
（D）以基因表达为目标变量，以启动子表观遗传修饰水平为预测变量的多变量线性回归。本回归分析仅选择RNA-seq簇基因进行回归分析。在右侧，多变量线性回归模型中每个变量的相对重要性，由 R 包 relaimpo 中的“lmg”指标测量，以及多变量线性回归模型的每个变量和条件的回归系数。
（E） 由启动子表观遗传修饰水平解释的基因表达方差来自其他条件。
（F）基于启动子H3K27ac和H3K27me3水平的多元线性回归建模基因表达;启动子 H3K4me3 和 H3K27me3 水平;和启动子 ATAC-seq、H3K4me3、H3K9me3 和甲基化水平。
（G） 从所有蛋白质编码基因中与 TSS 重叠的 H3K4me3、H3K27ac 和 H3K27me3 组蛋白修饰中读取图谱± 2 kb。
（H） 根据与 H9 细胞中以下 ChIP-seq 峰组合的重叠进行分类的 TSS 的蛋白质编码基因的数量：仅 H3K27me3，“H3K27me3”;H3K4me3 与 H3K27me3 和 H3K27ac，“二价 + H3K27ac”;H3K4me3 与 H3K27me3，“二价”;H3K4me3 和 H3K27ac，“H3K4me3 + H3K27ac”;只有 H3K27ac，“H3K27ac”;只有 H3K4me3，“H3K4me3”;以及包含表观遗传标记 H3K4me3、H3K27ac 和 H3K27me3 之间所有剩余组合的“其他”类别。仅显示 cR-H9 第 0 天、cR-H9 第 10 天和 H9 引发细胞的结果。在右侧，来自所选类别的基因本体在条件之间转换。该图中的所有结果都仅限于常染色体。rRNA，核糖体RNA;ncRNA，非编码RNA。
见图六
传统hPSC的一轮重置和扩容将X染色体失活从侵蚀的景观中拯救出来。
图六
(A） 映射到 X 染色体的所有 ChIP-seq 和 ATAC-seq 峰的百分比。
（B） H3K27me3 和 H3K9me3 在 X 染色体和常染色体的 10 kb 窗口中缩放的对数转换归一化计数的分布。红线表示用于将基因组区域分类为高或低 H3K27me3 和 H3K9me3 的阈值。
（C） H3K27me3 和 H3K9me3 读取 X 染色体上幼稚、获电容第 10 天和常规 H9 细胞的计数曲线。（D） 长链ncRNAsXIST和XACT的基因表达水平。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，学生配对 t 检验。误差线表示三个独立实验的平均值为 1 SD。（E） 根据 H3K27me3 和 H3K9me3 缩放对数分类的 X 染色体中 10 kb 窗口数的流程图2-规范化计数阈值为 0.5。该分类包括包含高水平 H3K27me3 标记 （H3K27me3）、高水平 H3K9me3 标记 （“H3K9me3”）、高水平 H3K27me3 和 H3K9me3 标记 （“H3K27me3 + H3K9me3”） 和低水平两种标记的窗口 （低）。
（F） 流程图说明了 cR-H9 第 10 天（电容）和 H9 引发细胞（常规）中 X 染色体中 10 kb 窗口的数量。右侧是基因组特征的富集分析，以及红色表示的区域的重复。仅显示 FDR 低于 0.05、绝对比值比值高于 2 且 −log P 值高于 10 的结果。
（G） 在常规引发的 hPSC 中对 H3K27me3、XIST 和 XACT 的免疫 FISH，在一轮复位和获能后的细胞，以及在 XAF 或 E8 中额外扩增后的细胞。
（H） 免疫FISH的定量。比例尺，10μm。
（I） 用于 XIST 的 qRT-PCR。GAPDH，甘油醛-3-磷酸脱氢酶。
见图七
获能过程中的表观遗传动力学。
图七
幼稚 hPSC 可以来自植入前的 hICM 细胞或通过传统 hPSC 的（化学）重置。幼稚的 hPSC 可以被电容，在这个过程中，PRC2 活性似乎是可有可无的。虽然幼稚 hPSC 在转录上仍然接近植入前外胚层细胞，但与传统 hPSC 相比，获电容的 hPSC 在转录上更接近植入后外胚层。在获能过程中，hPSC表观遗传景观被全局重塑，包括全基因组DNA甲基化增加或H3K27me3减少。虽然基因组印记在幼稚 hPSC 中不会维持，也不会在获能过程中重新建立，但在常规女性 hPSC 中经常观察到的 X 染色体侵蚀可以通过复位和随后的获能来逆转。H3K27ac 和 H3K4me3 在基因表达控制中的作用在幼稚和引发的 hPSC 之间似乎是不同的。XCI，X染色体失活;DNAme，DNA甲基化。
02
研究结论
总而言之，我们生成并分析了一个全面的资源，对两种多能性状态下的活性和抑制性组蛋白修饰、DNA 甲基化、染色质可及性和转录进行了全局分析。我们相信，这一分析将成为未来研究的宝贵资源，旨在表征多能性并揭示人类胚胎发生涉及的分子机制。然而，需要进一步的实验来揭示表观遗传学和多能性之间的因果关系。未来的研究重点是增强子-启动子相互作用、表观遗传标记的扰动、细胞异质性、逆转录转座子的作用以及推定的中间多能状态，将大大提高我们对人类发育早期阶段表观遗传机制的理解。
好了，今天的文献解读就到这儿来，我们下期再见！如果你正在开展临床研究.需要方案设计.数据管理. 数据分析等支持.也随时可以联系我们。
