KHDC3Lの突然変異が再発性の胞状奇胎を引き起こすと、卵母細胞でゲノムワイドなDNAメチル化欠損を引き起こし、受精後も持続的なインプリンティング欠損を引き起こすことがわかった

A KHDC3L mutation resulting in recurrent hydatidiform mole causes genome-wide DNA methylation loss in oocytes and persistent imprinting defects post-fertilisation.

• Hannah Demond
• Zahra Anvar
• Bahia Namavar Jahromi
• Angela Sparago
• Ankit Verma
• Maryam Davari
• Luciano Calzari
• Silvia Russo
• Mojgan Akbarzadeh Jahromi
• David Monk
• Simon Andrews
• Andrea Riccio
• Gavin Kelsey

抄録

背景:

ヒト卵子の皮質下母体複合体（SCMC）の構成要素における母性効果の変異は、早期胚不全、妊娠異常と再発妊娠損失を引き起こす可能性があります。不思議なことに、これらの遺伝子はまた、壊滅的な妊娠異常である二親性完全胞状奇胎（BiCHM）や多座インプリンティング病（MLID）などの概念体のインプリンティング遺伝子のDNAメチル化異常にも関連しています。しかし、これらのインプリンティング障害の発生時期、ゲノムの範囲、およびメカニズムの基盤は不明である。これらの疾患の希少性と、メチル化欠損が卵母細胞に由来する可能性があることから、これらの疑問は非常に困難なものとなっています。

BACKGROUND: Maternal effect mutations in the components of the subcortical maternal complex (SCMC) of the human oocyte can cause early embryonic failure, gestational abnormalities and recurrent pregnancy loss. Enigmatically, they are also associated with DNA methylation abnormalities at imprinted genes in conceptuses: in the devastating gestational abnormality biparental complete hydatidiform mole (BiCHM) or in multi-locus imprinting disease (MLID). However, the developmental timing, genomic extent and mechanistic basis of these imprinting defects are unknown. The rarity of these disorders and the possibility that methylation defects originate in oocytes have made these questions very challenging to address.

方法:

ヒトSCMCコンポーネントKHDC3Lの不活性化変異のホモ接合体であることが確認されたBiCHM患者の卵子のメチル化を評価するために、シングルセル・ビスルファイト・シークエンス（scBS-seq）を使用した。同じ患者の着床前胚と臼歯部組織のゲノムワイドなメチル化解析も行った。

METHODS: Single-cell bisulphite sequencing (scBS-seq) was used to assess methylation in oocytes from a patient with BiCHM identified to be homozygous for an inactivating mutation in the human SCMC component KHDC3L. Genome-wide methylation analysis of a preimplantation embryo and molar tissue from the same patient was also performed.

結果:

KHDC3Lの5つの卵母細胞からハイカバレッジのscBS-seqライブラリーを得たところ、正常なヒト卵母細胞と比較してゲノム全体のDNAメチル化の欠損が明らかになった。重要なことは、インプリントされた遺伝子の生殖細胞の異なるメチル化領域（gDMR）は、卵母細胞で通常メチル化される他の配列と同様に影響を受けており、インプリントされた遺伝子への選択性はないことを示していた。gDMRを含むゲノム特徴の間では、様々なメチル化欠損が観察され、SCMCの欠陥に対する感受性の変化を示していた。着床前の胚と同じ患者の臼歯部組織をゲノムワイドに解析したところ、受精後もインプリンティングされた遺伝子のメチル化欠損が持続している一方で、ほとんどの非インプリンティング領域では着床後に正常に近いメチル化が回復することが示された。

RESULTS: High-coverage scBS-seq libraries were obtained from five KHDC3L oocytes, which revealed a genome-wide deficit of DNA methylation compared with normal human oocytes. Importantly, germline differentially methylated regions (gDMRs) of imprinted genes were affected similarly to other sequence features that normally become methylated in oocytes, indicating no selectivity towards imprinted genes. A range of methylation losses was observed across genomic features, including gDMRs, indicating variable sensitivity to defects in the SCMC. Genome-wide analysis of a pre-implantation embryo and molar tissue from the same patient showed that following fertilisation methylation defects at imprinted genes persist, while most non-imprinted regions of the genome recover near-normal methylation post-implantation.

結論:

我々は、SCMCの完全性が女性生殖細胞におけるde novoメチル化に不可欠であることを初めて示した。これらの知見は、DNAメチル化におけるSCMCの役割を理解し、インプリンティング欠損の起源を理解する上で重要な意味を持ち、将来の治療アプローチの一助となることが期待されます。

CONCLUSIONS: We show for the first time that the integrity of the SCMC is essential for de novo methylation in the female germline. These findings have important implications for understanding the role of the SCMC in DNA methylation and for the origin of imprinting defects, for counselling affected families, and will help inform future therapeutic approaches.