微观世界，粒粒皆奇

无论是在DNA、蛋白质等生命大分子中

还是在更细微的原子、量子水平上

新的突破和进展不断涌现

今天凌晨

Nature官网发布多篇论文
北京大学未来技术学院何爱彬团队

北京大学物理学院孙庆丰团队

同一时间在Nature分别发文

从不同的研究视角揭示粒子的秘密

全新技术

实现胚胎发育谱系追踪

北京大学何爱彬团队《胚胎谱系追踪的基因组覆盖单细胞组蛋白修饰》一文发表于Nature

2月26日，北京大学何爱彬团队在《自然》（Nature）杂志在线发表了题为“Genome-coverage single-cell histone modifications for embryo lineage tracing ”（胚胎谱系追踪的基因组覆盖单细胞组蛋白修饰）的文章。该研究开发了具有全基因组覆盖度的单细胞组蛋白修饰检测新技术TACIT和CoTACIT，首次构建了小鼠胚胎植入前连续时间多维组蛋白修饰图谱，建立了表观细胞谱系树。

恰似胚胎发育细胞命运决定：从单一受精卵起始，经历二细胞期、四细胞期的有序分裂，最终形成谱系分明的生命蓝图。在这个精妙的生物学“太极分化”过程中，表观遗传重编程之手，精密控制合子基因组激活（ZGA）、全能性维持与失去、细胞命运异质化、第一次细胞命运决定和细胞谱系形成等进程。

虽然此前之前已有研究利用少量细胞ChIP-seq技术揭示了哺乳动物着床前胚胎细胞发生剧烈染色质状态——组蛋白修饰重编程。但能否突破传统遗传谱系示踪和单细胞转录组等手段不足之处，建立时间分辨的单细胞全基因组精度、多模态组蛋白修饰以解析胚胎发育细胞谱系与关键表观基因组调控仍尚未可知。

在新研究中，何爱彬团队阐明了胚胎从合子到囊胚阶段单细胞分辨率的表观基因组控制机制，精准确定全能性定义的特征组蛋白修饰与调控元件，并鉴定了调控全能性退出和第一次细胞命运预决定的关键转录因子及转座元件，为理解早期胚胎发育分子与细胞调控提供了全景表观新视角。

传统单细胞组蛋白修饰检测技术受限于起始样本量和分辨率，难以应用于低起始量的早期胚胎样本。何爱彬团队开发的TACIT（Target Chromatin Indexing and Tagmentation）技术，通过系列优化，包括甲醇固定、提高Protein A-Tn5转座酶活、单管反应防止细胞与DNA丢失，从而将单细胞有效读段数提升近50倍,实现早期胚胎单个细胞捕获读段数的中位数达492,556。且该技术可适配低至20个细胞的起始量，信号噪声比显著优于现有方法（包括团队之前开发的itChIP-seq和CoBATCH，以及Cut&Tag类似方法）。团队还进一步开发了单细胞表观多组学技术CoTACIT（Combined assay of Target Chromatin Indexed and Tagmented），实现着床前胚胎同一细胞中多种组蛋白修饰联合检测。

通过TACIT和CoTACIT技术，研究者绘制了小鼠着床前胚胎3,749个细胞的全基因组六种组蛋白修饰（H3K4me1、H3K4me3、H3K27ac、H3K36me3、H3K27me3和H3K9me3）和一种组蛋白变体H2A.Z的动态染色质修饰图谱，捕获了包含启动子、增强子、基因体、异染色质和组蛋白变体的几乎所有功能调控元件。研究者进一步以scRNA-seq数据为纽带整合了多模态组蛋白修饰数据，借助ChromHMM分析框架，构建了小鼠早期胚胎染色质状态动态景观。

多模态整合分析流程图

同样，“世界上也没有两个完全相同的细胞”。即便在形态均质的二细胞胚胎阶段，表观遗传异质性已启动细胞命运决定的"分水岭"。研究团队发现，在二细胞胚胎中H3K27ac等活性修饰已呈现显著细胞间异质性。通过胚胎条形码TACIT技术追踪同一胚胎内两个细胞的表观特征，证实约31%-45%的二细胞胚胎存在胚胎内表观差异。且这种异质性与ZGA激活程度密切相关。多模态分析结果显示，受精卵和ZGA激活程度低的二细胞（2cell_1）基因组中含有多价态染色质状态（同时结合六种组蛋白修饰），而ZGA激活程度高的二细胞（2cell_2）中不存在。

胚胎条形码TACIT检测胚胎内异质性

进一步地，研究者用多模态整合后的染色质状态信息定义细胞类型，以探究细胞命运的表观贡献。研究者利用机器学习鉴定了2,583个全能性特征基因组区域，其中31%与已知全能性基因重叠，41%富含转座元件（如MERVL），而后他们分析这些全能性特征基因组区域富集的转录因子基序，并通过CRISPRa实验证实，新发现CEBPG、LBX1和ESR1等转录因子可诱导胚胎干细胞向全能性状态转化。

除此之外，研究者鉴定了ICM和TE特化相关的表观基因组调控区域，并成功预测了囊胚阶段前细胞的ICM和TE谱系分化倾向性（图3）。siRNA实验验证筛选出之前未报道与ICM和TE特化相关的转录因子：YY2、CEBPB、SMAD2和HNF4A调控ICM特征，而KLF6和HIF1A驱动TE分化。有趣的是，研究者发现早期胚胎在四细胞时期就具有明显的谱系倾向。

谱系相关调控区域和转录因子

该研究通过新技术整合绘制了小鼠从合子到囊胚发育过程中包含六种组蛋白修饰的时间分辨率的单细胞表观谱系树，揭示了胚胎内部细胞异质性产生以及第一次命运预决定的表观机制，为胚胎发育与细胞命运调控研究提供了一个新范式。

该研究不仅为早期胚胎发育机制提供了全新认知，相关研究思路还可拓展至人类疾病（如肿瘤异质性产生的表观机制）和再生医学领域。

北京大学未来技术学院博士生刘敏、陈旭斌以及吉林大学第一医院岳晏竹教授为论文共同第一作者。北京大学未来技术学院，北京大学-清华大学生命科学联合中心，北京大学成都前沿交叉生物技术研究院和北京大学肿瘤医院何爱彬教授为本文通讯作者。清华大学生命科学学院张强锋教授和团队博士研究生田康和李雨哲对本研究提供了支持和帮助。该研究获得了科技部干细胞专项、国家自然科学基金委的和生命科学联合中心的支持。

人造原子的轨道杂化

北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授课题组《石墨烯人造原子中的轨道杂》一文发表于Nature

同一天，北京大学物理学院量子材料科学中心孙庆丰教授课题组与北京师范大学物理与天文学院何林教授课题组紧密合作，在《自然》（Nature）杂志发表以“Orbital hybridization in graphene-based artificial atoms”（石墨烯人造原子中的轨道杂化）为题的文章，首次在人造原子中实现了轨道杂化。

自然界中的物质是由原子组成。在原子结合构成物质时，有两个至关重要过程：一是原子内发生轨道杂化，二是原子间化学键形成。量子点也被称作人造原子，其由于受限效应而形成不同轨道的束缚态，与真实原子的轨道十分相似，被研究人员用来模拟真实原子的特征。

目前，人造原子（即量子点）已经很好地模拟出真实原子间的化学键形成。包括孙庆丰课题组和何林课题组在内，研究人员通过量子点之间的耦合，已经在各种体系的量子点中实现了成键态、反键态等真实键态的对应。

近年来，孙庆丰课题组和何林课题组合作，在受限石墨烯体系取得了一系列重要成果：在双层石墨烯量子点中，通过施加磁场诱导贝里相位连续变化和实现谷自由度的调控。在单层石墨烯中，通过应力引起的赝磁场和真磁场共同作用实现受限谷态调控。通过旋转非对称受限势引起不同角动量态间的散射，并结合贝里相位，实现谷间散射波前位错的单、双调控。在单层石墨烯量子点中发现了原子塌缩态和回音壁态的共存；更进一步，通过耦合两个量子点，提出和实现原子塌缩态、分子塌缩态、到回音壁态的相互演化；以及连续调控两个量子点间的距离，从而系统地给出分子态特性。另外，在单个量子点中通过引入势垒也实现了分子态。

然而，原子构成物质的另一个关键过程——轨道杂化却未曾被人造原子模拟出来。

针对这一空白，孙庆丰教授组发展了人造原子中轨道杂化的理论，提出人造原子的各向异性势可以让其能量相近的不同轨道受限态之间发生杂化。他们具体地指出，如果在石墨烯量子点中将圆形势场变形为椭圆形势场，轨道量子数m=0的s轨道和轨道量子数m=2的d轨道之间将会发生杂化，重新组合成两个新的杂化态。

上半部分：真实原子中的（a）未杂化的轨道和（b）sp2轨道杂化示意图

下半部分：人造原子中的（c）圆形势场和（d）椭圆形势场示意图

孙庆丰教授课题组从解析推导和数值计算两方面得到了杂化态的形状（θ形和倒θ形）。何林教授课题组在实验上对各种椭圆形量子点中的受限态进行探测，直接观测到轨道杂化特征。

实验和理论相互印证，共同证实了椭圆形石墨烯量子点中确实发生了轨道杂化。这种杂化是原子塌缩态和回音壁态之间的重组，杂化后的态同时包含原子塌缩态和回音壁态的成分。

尽管原子塌缩现象是量子电动力学中预测的重要现象，而回音壁效应是声学中的效应，二者被认为有完全不同的物理机理，但是这一工作揭示了两者之间的深刻联系。此外，随着量子点的形变逐渐增强，杂化强度逐渐提高，于是两个杂化态的能量逐渐劈开。这点从实验测量和理论计算方面都得到了证实。

（a,b）数值计算的杂化态（θ形和倒θ形）

（c,d）实验观测到的杂化态

（e）杂化态随量子点形变增强而发生能量劈裂

北京大学物理学院量子材料科学中心2020级博士研究生毛岳、北京师范大学博士研究生任慧莹和周啸峰为文章的共同第一作者。北京大学孙庆丰教授、北京师范大学何林教授和北京师范大学博士后任雅宁为文章的共同通讯作者。该工作的合作者还有北京大学博雅博士后庄钰晨、北京师范大学研究生盛浩和肖云浩。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金会以及北京师范大学的经费支持。

来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学科学研究部

编辑 | 朱思颖

排版 | 王俊晔

责编 | 郭雅颂

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