人类DNA如果拉成一条直线，长度大约是2米，但一般的细胞核的直径却仅有5～10微米左右。因此，基因组DNA如何合理折叠存放到细胞核内，是一个非常重要的科学问题。现有研究表明，基因组DNA的三维空间折叠对细胞核如何指挥细胞功能的发挥起着非常重要的作用。对于大多数动物包括人类而言，生命起始于精子和卵子的结合。然而，精子的细胞核、卵子的细胞核结构却和我们身体中其它的体细胞存在非常大的差别。精子细胞核非常小、只有普通细胞核的1/10左右，染色体被精蛋白包装，处于一种高度压缩的状态；而成熟卵子的细胞核却处于分裂中期，染色体也处于一种高度压缩的状态，与多数细胞仍然具有非常大的差别。因此，精子和卵子结合后，细胞核中的染色体如何变化，如何变成正常的细胞染色体，是一直未被了解的科学问题。同时，了解哺乳动物发育过程中染色体高级结构的变化，有利于理解人是如何从受精卵发育成个体的。
近日，中国科学院北京基因组研究所刘江研究组和上海科技大学黄行许研究组合作，对上述问题进行了研究，揭示了哺乳动物成熟精子和卵子的染色体3D结构以及在早期胚胎发育过程中染色体结构的重编程变化。
哺乳动物配子和早期胚胎的数量非常有限，研究团队解决了使用少量细胞建立3D染色体结构图谱的难题，从而获得小鼠精子、卵子和早期胚胎的高分辨率染色体高级结构图谱。研究结果显示，成熟的卵子没有拓扑结构域(TADs)，而在精子中普遍存在超远程染色体的相互作用。研究发现，受精卵和2细胞时期胚胎中染色体高级结构几乎不存在，随着发育的进行，染色体高级结构逐渐建立起来。研究还发现染色体高级结构的建立不依赖于受精卵基因组转录的激活，而是依赖于基因组的复制。此外，该研究首次发现染色体的高级结构与DNA甲基化的关联，并且发现早期发育的DNA去甲基化也与染色体的高级结构相关。
该研究为深入了解哺乳动物如何从受精卵发育成一个多功能的个体打下了重要基础，为科学家认识早期胚胎中真实的3D基因组结构做了良好铺垫，哺乳细胞早期胚胎发育高分辨率染色体高级结构图谱数据将为表观遗传、生物信息研究领域提供宝贵的资源，帮助揭示胚胎发育的奥秘。
相关成果于7月13日发表在国际期刊《细胞》（Cell）上。该研究获得中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金委和科技部国家重点研发项目的支持。
