2017年6月6日，北京大學生命科學學院生物動態光學成像中心唐福橋課題組在《細胞研究》雜誌在線發表了題為《小鼠早期胚胎和胚胎幹細胞的單細胞多組學測序》的研究論文。在世界上首次開發了在單個細胞上同時進行染色質狀態、DNA甲基化、基因組拷貝數變異和染色體倍性的全基因組測序技術(單細胞COOL-seq)，並利用該技術在單細胞分辨率上系統深入地分析了小鼠植入前胚胎發育過程中表觀基因組重編程的關鍵特征以及染色質狀態和DNA甲基化之間的相互作用關系。？
現有的基於高通量測序分析全基因組染色質狀態的研究方法，通常需要大量的細胞(如ATAC-seq、DNase-seq、FAIRE-seq、MNase-seq等。).即使這些方法能夠達到單細胞分辨率，也無法在單細胞分辨率下研究各種組學之間的相互作用。然而，唐福秋的研究組巧妙地將NOMe-seq(全基因組核小體定位和DNA甲基化測序)技術與PBAT-seq技術相結合，並對系統進行了優化和改進，實現了對同壹單細胞的基因組和表觀基因組特征多達五個水平的分析。？利用這種新建立的scCOOL-seq方法，研究組以單細胞分辨率系統地描述了小鼠植入前胚胎發育過程中多水平表觀基因組的動態變化。研究發現:
在受精後12小時內，來自高度特化的卵子和精子的雄性和雌性原核經歷了大規模的基因組去甲基化。在這個過程中，親本基因組的染色體狀態迅速開放，在受精卵的原核期達到高度開放狀態，然後在受精卵後期染色質開放度急劇下降，2-細胞期後又逐漸增加，在胚泡期達到最高點。？
首次用單細胞分辨率系統分析了小鼠植入前胚胎發育過程中染色質狀態的異質性。發現在受精後12小時內，受精卵中大部分基因的啟動子區域由壹致關閉狀態快速重編程為壹致開啟狀態，為受精卵基因的後續轉錄做好了準備。？
在單細胞分辨中首次證明，維持早期胚胎中大多數基因的啟動子處於開放狀態需要持續轉錄，染色質狀態開放和轉錄活性相互促進，* * *維持合子基因的穩定表達。？
發現多能性核心因子Oct4的靶基因結合位點在4細胞期開放，遠早於多能性真正建立的胚泡期，提示這些位點作為潛在的順式調控元件，可能參與早期胚胎細胞的命運決定過程。？
首次在單個細胞中對親本基因組的染色質狀態和DNA甲基化進行了深入分析。發現受精後染色質狀態和DNA甲基化被異步重編程，親本基因組的染色質狀態被快速重編程，在每個單細胞中達到精確的平衡並壹直維持。DNA甲基化的重編程較慢，並且在親代基因組之間保持不對稱分布。？
首次在單細胞分辨率下分析了女性胚胎細胞中親本X染色體DNA甲基化和染色質狀態重編程的異同。結果發現，受精後，女性胚胎中失活的父系X染色體的DNA甲基化重編程速度明顯慢於活躍的母系X染色體，兩者之間的DNA甲基化差異逐漸消除，直至囊胚晚期。然而，在女性胚胎中，親本X染色體被快速重新編程，並且親本X染色體之間染色質狀態的精確平衡在整個植入前期間得以維持。？
小鼠植入前胚胎發育表觀基因組的異質性首次在單細胞水平上被揭示。受精後，啟動子區DNA甲基化異質性強的基因和染色質狀態異質性強的基因是兩種不同類型的基因。這表明著床前小鼠胚胎發育過程中染色質狀態和DNA甲基化的異質性可能受到不同機制的調節。？
首次將細胞周期和染色質狀態在單細胞分辨率上聯系起來，準確推斷出每個單細胞的倍性和細胞周期階段。發現小鼠胚胎在體內發育期間使用與胚胎幹細胞基本相同的壹組DNA復制起始位點。？
本研究系統描述了高度特化配子在受精後重編程為具有發育全能性的受精卵並進壹步發育為多能胚胎過程中，DNA甲基化和染色質狀態的精確有序變化，各種組學水平之間的相互作用，以及植入前胚胎發育過程中親本基因組中DNA甲基化和染色質狀態的重編程過程。這項工作為今後人們繼續研究哺乳動物早期胚胎細胞全能性和多能性的開放奠定了基礎，為提高體細胞克隆的效率和早期胚胎發育不良的診治提供了新思路。？北京大學生命科學學院生命科學中心博士後郭帆、博士生林莉和李景雲是本文的第壹作者。北京大學生命科學學院唐研究員和四川大學研究員是本文的* * *合著者。該研究工作由北京大學和四川大學共同完成，得到了國家自然科學基金、北京未來基因診斷高新技術創新中心、北京大學-清華聯合中心的支持。