无论是什么脊椎动物，其胚胎发育都需要非常严格地控制不同基因的表达时间和位置。DNA甲基化（5mC）在该控制过程中起关键作用，并涉及多能性和细胞分化等过程。此前的研究表明，在哺乳动物胚胎发育期间有两次DNA甲基化重编程：着床前发育和原始生殖细胞(PGC)形成。在哺乳动物受精卵中，父系基因组在受精后不久迅速去甲基化，随后父系和母系基因组贡献的5mC逐渐下降。DNA去甲基化一直持续到囊胚期，随后在原肠胚形成过程中进行特异细胞类型再甲基化。

但哺乳动物中观察到的PGC表观基因组重构事件是否是脊椎动物胚胎发育的一个保守特征？到目前为止，详细的表观基因组和转录组图谱只在正在发育的小鼠和人类生殖细胞生成。虽然斑马鱼和人类在大约4亿年前在进化方面发生了分化，但这两种物种在遗传上非常相似，并且共享约70％的蛋白质编码基因，因此斑马鱼成为众多科学家进行胚胎发育、进化及肿瘤研究的模式生物。

近日，Nature Communications发表了肿瘤基因表观遗传修饰的最新研究成果，文章题为“Retention of paternal DNA methylome in the developing zebrafish germline”。研究结果显示，关闭某些癌症相关基因的表观遗传修饰已经保守存在4亿多年，并受到严格地调控。此外，科学家发现斑马鱼体内也存在一些人类癌症中的启动基因，但这些基因在斑马鱼受精几个小时后就会失活。

该研究由澳大利亚加文医学研究所领导的团队完成。研究人员表示，该研究成果为基因的表观遗传调控如何在较远的进化距离上持续存在提供了新的见解，包括与晚期癌症发展相关的基因调控。同时，也突出了人类和斑马鱼胚胎发育过程中表观遗传修饰的关键差异，有助于指导正在进行的表观遗传研究。

图：斑马鱼种系发育阶段示意图。

研究员从发育的斑马鱼胚胎中分离出原始生殖细胞（PGCs），并进行全基因组亚硫酸氢盐（WGBS），同时进行了小鼠胚胎细胞和人类植入前胚胎细胞的DNA甲基化测序。研究结果证明，斑马鱼胚胎发育过程可以关闭与人类癌症相关的基因。有趣的是，斑马鱼在受精后并没有表现出全基因组的5mC重编程。相反，斑马鱼PGCs继承了父本DNA甲基化模式而不是完全重置甲基化模式，这与哺乳动物PGC发育期间DNA甲基化标签的第二次重编程形成对比。研究人员表示，斑马鱼可能仅在配子发生的后期进行广泛的5mC重编程。

图：斑马鱼PGCs中保留父系表观遗传记忆。

论文共同通讯作者、加文研究所发育表观基因组学实验室负责人Ozren Bogdanovic博士表示：“这很有趣，虽然目前不清楚斑马鱼为什么会发生这种情况，但仍表明保持这些基因沉默对人类健康有多么重要。”

同时，研究团队还分析了斑马鱼胚胎发育四个阶段中PGCs和体细胞的WGBS和转录组数据，并鉴定出68个基因在受精后24小时内被甲基化并被关闭。值得关注的是，这些基因中的大部分属于癌症睾丸抗原群体，其中部分基因是鱼类和哺乳动物中第一批被沉默或甲基化的基因。

癌症睾丸抗原（CTAs）在男性睾丸中是活跃的，但在人类其他组织中通常被关闭。这些基因呈现高度受限的体细胞表达模式，并且在雄性生殖系被强烈表达。但CTA经常在人类癌症中重新激活，包括黑色素瘤和乳腺癌，它们被认为有助于肿瘤表型的特定特征，包括侵袭性和转移能力。由于这些靶标的体细胞表达可能对细胞产生有害影响，这种高度特异性的5mC胚胎靶向性是否在较大进化距离内保守仍有待进一步研究。

该研究共同第一作者、加文研究所研究员 Ksenia Skvortsova博士表示：“哺乳动物和鱼类在胚胎发育方面有着截然不同的策略，但似乎CTA基因的调控在整个进化过程中都是保守的。”

斑马鱼种系详细的甲基化组和转录组图谱为了解脊椎动物如何调控其发育和种系表观遗传机制提供了重要补充。针对CTA的药物已经被作为癌症的潜在治疗方法，该研究提供了关于CTA在进化过程中重要作用的证据以及其在进化过程中是如何被控制的，增强了我们对胚胎发育和肿瘤发生关系的理解，有助于癌症研究和治疗方法的开发。

1. Retention of paternal DNA methylome in the developing zebrafish germline.

2. Epigenetic Silencing of Cancer Genes Conserved Through Millions of Years of Evolution.