Nucleome programming is required for the foundation of totipotency in mammalian germline development

生物 重编程 表观遗传学 染色质 DNA甲基化 诱导多能干细胞 细胞生物学 遗传学 后生 生殖细胞 生殖系 胚胎干细胞 DNA 细胞 基因 基因表达
作者
Masahiro Nagano,Bo Hu,Shihori Yokobayashi,Akitoshi Yamamura,Fumiya Umemura,Mariel Coradin,Hiroshi Ohta,Yukihiro Yabuta,Yukiko Ishikura,Ikuhiro Okamoto,Hiroki Ikeda,Naofumi Kawahira,Yoshiaki Nosaka,Sakura Shimizu,Yôji Kojima,Ken Mizuta,Tomoko Kasahara,Yusuke Imoto,Killian Meehan,Roman R. Stocsits,Gordana Wutz,Yasuaki Hiraoka,Yuji Murakawa,Takuya Yamamoto,Kikuë Tachibana,Jan-Michel Peters,Leonid A. Mirny,Benjamin A. García,Jacek Majewski,Mitinori Saitou
出处
期刊:The EMBO Journal [Springer Nature]
卷期号:41 (13) 被引量:7
标识
DOI:10.15252/embj.2022110600
摘要

Germ cells are unique in engendering totipotency, yet the mechanisms underlying this capacity remain elusive. Here, we perform comprehensive and in-depth nucleome analysis of mouse germ-cell development in vitro, encompassing pluripotent precursors, primordial germ cells (PGCs) before and after epigenetic reprogramming, and spermatogonia/spermatogonial stem cells (SSCs). Although epigenetic reprogramming, including genome-wide DNA de-methylation, creates broadly open chromatin with abundant enhancer-like signatures, the augmented chromatin insulation safeguards transcriptional fidelity. These insulatory constraints are then erased en masse for spermatogonial development. Notably, despite distinguishing epigenetic programming, including global DNA re-methylation, the PGCs-to-spermatogonia/SSCs development entails further euchromatization. This accompanies substantial erasure of lamina-associated domains, generating spermatogonia/SSCs with a minimal peripheral attachment of chromatin except for pericentromeres-an architecture conserved in primates. Accordingly, faulty nucleome maturation, including persistent insulation and improper euchromatization, leads to impaired spermatogenic potential. Given that PGCs after epigenetic reprogramming serve as oogenic progenitors as well, our findings elucidate a principle for the nucleome programming that creates gametogenic progenitors in both sexes, defining a basis for nuclear totipotency.

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