ABSTRACT

Chromatin reorganization governs the regulation of gene expression during preimplantation development. However, the landscape of chromatin dynamics in this period has not been explored in bovine. In this study, we constructed a genome-wide map of accessible chromatin in bovine oocytes and early embryos using an improved assay for transposase-accessible chromatin with high-throughput sequencing (ATAC-seq) which revealed unique features of the accessible chromatin during bovine early embryo development. We found that chromatin accessibility is low in oocytes and 2-/4-cell embryos, followed by a significant increase in embryos during major embryonic genome activation (EGA), and peaked in elongating day 14 embryos. Genome-wide characteristics of open chromatin showed that ATAC-seq signals in both transcription start sites (TSS) and transcription end sites (TES) were strong. Additionally, the distal ATAC-seq peaks were enriched in repeat elements in a type-specific and stage-specific manner. We further unveiled a series of transcription factor (TF) motifs with distinct variation of enrichment from distal ATAC-seq peaks. By integrated analysis of chromatin accessibility with transcriptomes and DNA methylomes in bovine early embryos, we showed that promoter accessibility was positively correlated with gene expression, especially during major EGA, and was strongly correlated to DNA methylation and CpG density. Finally, we identified the critical chromatin signatures and TFs that differ between in vivo and in vitro derived blastocysts, which provides insights to the potential mechanisms leading to low quality of embryos produced in vitro. Together, this comprehensive analysis revealed critical features of chromatin landscape and epigenetic reprogramming during bovine preimplantation embryo development.

摘要

染色质重组控制着植入前发育过程中基因表达的调节。然而，这一时期的染色质动力学景观尚未在牛身上进行过探索。在这项研究中，我们构建了牛卵母细胞和早期胚胎中可接近染色质的全基因组图谱，使用了一种改进的高通量测序 (ATAC-seq) 转座酶可接近染色质测定法，揭示了牛早期可接近染色质的独特特征胚胎发育。我们发现卵母细胞和 2-/4 细胞胚胎的染色质可及性较低，随后在主要胚胎基因组激活 (EGA) 期间胚胎显着增加，并在延长第 14 天胚胎时达到峰值。开放染色质的全基因组特征表明，转录起始位点 (TSS) 和转录结束位点 (TES) 中的 ATAC-seq 信号都很强。此外，远端 ATAC-seq 峰以特定类型和特定阶段的方式富含重复元素。我们进一步揭示了一系列转录因子 (TF) 基序，其与远端 ATAC-seq 峰的富集差异明显。通过对牛早期胚胎中染色质可及性与转录组和 DNA 甲基化组的综合分析，我们发现启动子可及性与基因表达呈正相关，尤其是在主要 EGA 期间，并且与 DNA 甲基化和 CpG 密度密切相关。最后，我们确定了不同的关键染色质特征和 TF 远端 ATAC-seq 峰以特定类型和特定阶段的方式富含重复元素。我们进一步揭示了一系列转录因子 (TF) 基序，其与远端 ATAC-seq 峰的富集差异明显。通过对牛早期胚胎中染色质可及性与转录组和 DNA 甲基化组的综合分析，我们发现启动子可及性与基因表达呈正相关，尤其是在主要 EGA 期间，并且与 DNA 甲基化和 CpG 密度密切相关。最后，我们确定了不同的关键染色质特征和 TF 远端 ATAC-seq 峰以特定类型和特定阶段的方式富含重复元素。我们进一步揭示了一系列转录因子 (TF) 基序，其与远端 ATAC-seq 峰的富集差异明显。通过对牛早期胚胎中染色质可及性与转录组和 DNA 甲基化组的综合分析，我们发现启动子可及性与基因表达呈正相关，尤其是在主要 EGA 期间，并且与 DNA 甲基化和 CpG 密度密切相关。最后，我们确定了不同的关键染色质特征和 TF 通过对牛早期胚胎中染色质可及性与转录组和 DNA 甲基化组的综合分析，我们发现启动子可及性与基因表达呈正相关，尤其是在主要 EGA 期间，并且与 DNA 甲基化和 CpG 密度密切相关。最后，我们确定了不同的关键染色质特征和 TF 通过对牛早期胚胎中染色质可及性与转录组和 DNA 甲基化组的综合分析，我们发现启动子可及性与基因表达呈正相关，尤其是在主要 EGA 期间，并且与 DNA 甲基化和 CpG 密度密切相关。最后，我们确定了不同的关键染色质特征和 TF体内和体外衍生的囊胚，这为导致体外产生的胚胎质量低的潜在机制提供了见解。总之，这项综合分析揭示了牛植入前胚胎发育过程中染色质景观和表观遗传重编程的关键特征。