种间杂交是进化过程物种形成的重要机制，同时生殖隔离保障了物种的稳定性。研究物种杂交过程中的生殖隔离机制，是探索物种进化规律，发现发育调控机制的重要研究方向。2012年诺贝尔生理和医学奖获得者约翰·戈登（John Gurdon）爵士，发现以两个发育生物学常用的经典近缘爪蛙Xenopus laevis与X.tropicalis以不同杂交方式获得的后代，具有完全不同的命运[1]。以X.laevis为母本，与X.tropicalis杂交可以获得形态正常的杂交个体（正交，le×ts），然而以X.tropicalis为母本的杂交胚胎发生原肠发育停滞和胚胎致死（反交，te×ls）（图1）。美国加州大学Rebecca Heald教授于进一步在Nature发文，揭示反交胚胎父源ch3L和ch4L染色体的大片段丢失，导致代谢相关基因的缺失和低表达是杂交胚胎致死和生殖隔离形成的关键原因[2]。
广州医科大学联合生科院龙琪副教授团队与香港中文大学赵晖教授团队以及中国科学院昆明动物研究所吕雪梅研究员团队联合研究，2023年4月7日Science Advances杂志在线发表研究论文“Modification of Maternally Defined H3K4me3 Regulates the Inviability of Interspecific Xenopus Hybrids”，进一步发现母源H3K4me3修饰调控爪蛙原肠发育和生殖隔离的分子机制。
图1.X.laevis与X.tropicalis杂交胚胎的不同命运
作者利用这个独特的种间杂交体系，研究发现杂交胚胎的DNA缺失是正反交胚胎发育过程中发生的一个普遍现象，丢失的基因同样可以得到其它2组同源染色体的补偿。进一步研究发现，两种爪蛙胚胎X.laevis与X.tropicalis，在原肠发育前具有完全不同的H3K4me3修饰调控模式(图2)。X.tropicalis受精卵具有极低的H3K4me3修饰，并随着囊胚期到原肠期的转化，H3K4me3修饰水平增加，与合子基因激活同步；然而X.laevis青蛙受精卵本身具有很高的H3K4me3修饰水平，并在原肠期前逐步降低。这种异常高的母源H3K4me3修饰，可能是X.laevis作为假4倍体青蛙（由异2倍体杂交进化）在长期进化过程中，为平衡异源基因组和基因重组丢失而建立的独特的表观遗传修饰机制[3]。作者研究也发现H3K4me3调控P53磷酸化调控基因Mdm2表达，抑制P53信号通路激活；而反交胚胎，缺乏H3K4me3修饰，无法平衡3个基因组，导致P53信号通路异常激活和发育停滞。作者通过在反交胚胎过表达Mdm2或提高H3K4me3修饰水平，可以抑制P53信号通路激活，在一定程度上修复原肠发育停滞，使反交胚胎成功发育到神经胚阶段。
图2.H3K4me3修饰通过P53信号通路调控生殖隔离机制。
本研究首次发现了H3K4me3修饰，通过P53信号通路调控胚胎早期发育，进而决定种间隔离的新机制，提出胚胎发育和物种进化规律的新认知。H3K4me3修饰上调是大多数动物胚胎早期合子基因激活的关键步骤，也是发育过程的关键事件；然而小鼠合子具有高水平母源H3K4me3修饰，并在合子基因激活前呈下调趋势，与X.laevis具有相似的模式[4]。文献报道也显示H3K9me3修饰调控果蝇生殖隔离的独特机制[5]。这提示一个值得关注的科学问题——不同物种在胚胎发育早期具有不同的H3K4me3等表观遗传调控机制，模式生物研究获得的胚胎发育的表观遗传规律，与人类发育可能具有完全不同的机制，这也是生殖隔离的一个重要机制。本研究发现了不同物种胚胎发育早期H3K4me3具有值得关注差异化机制，也同时可能是种间隔离的一种通用机制。
广州医科大学联合生科院龙琪副教授以及中国科学院昆明动物研究所所博士生闫凯是本文的共同第一作者；香港中文大学赵晖教授和中科院昆明动物研究所吕雪梅研究员是本文共同通讯作者。本研究得到科技部重点研究计划、国家自然科学基金、西部之光、广东省自然科学基金等项目的支持。
点评专家：李冰教授，广州医科大学联合生科院副院长。
相近物种如何形成生殖隔离机制是物种进化的关键问题，也对种内可能的生殖障碍研究具有重要意义。一些近似物种间会产生部分可存活后代，其中非洲爪蟾和热带爪蛙杂交模型相当有趣，只有非洲爪蟾卵与热带爪蛙精子可产生存活个体，为研究生殖隔离的内在机制提供了非常好的模型。通常生殖隔离认为与异种配子基因组不匹配有关，难以想象新物种形成会来源与基因组组成骤变。联合生科院龙琪副教授在《Science Advances》(IF:14.98)发表题为"Modification of maternally definedH3K4me3 regulates the inviability of interspecific Xenopushybrids”的论文。利用经典的非洲爪蟾和热带爪蛙胚胎发育模型进行杂交实验，发现非洲爪蟾母源的H3K4me3正常表达是杂合胚胎发育所必需的，H3K4me3修饰通过P53信号通络，决定杂交胚胎能否顺利完成原肠胚发育检测点。该研究首次发现母源非基因组改变在调控物种间生殖隔离和胚胎发育的重要现象和机制，也为生殖健康领域的研究提供了重要线索。龙琪为该文第一作者。
原文链接：https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.add8343
参考文献：
1.Narbonne,P.,Simpson,D.E.&Gurdon,J.B.Deficient induction response in a Xenopus nucleocytoplasmic hybrid.PLoS Biol 9,e1001197,doi:10.1371/journal.pbio.1001197(2011).
2.Gibeaux,Romain et al.“Paternal chromosome loss and metabolic crisis contribute to hybrid inviability in Xenopus.”Nature vol.553,7688(2018):337-341.doi:10.1038/nature25188.
3.Session AM,et al.Genome evolution in the allotetraploid frog Xenopus laevis.Nature.538:1–15.doi:10.1038/nature19840(2016)
4.Dahl,J.A.et al.Broad histone H3K4me3 domains in mouse oocytes modulate maternal-to-zygotic transition.Nature 537,548-552,doi:10.1038/nature19360(2016).
5.Ferree,P.M.&Barbash,D.A.Species-specific heterochromatin prevents mitotic chromosome segregation to cause hybrid lethality in Drosophila.PLoS Biol 7,e1000234,doi:10.1371/journal.pbio.1000234(2009).
