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Science｜全能性先锋因子Nr5a2促进合子基因组激活

BioArt · 公众号 · 生物 · 2022-12-07 07:30

正文

撰文丨十一月

在合子基因组激活（Zygotic genome activation，ZGA）过程中，基因控制从母体转移到胚胎，生命由此开启。小鼠胚胎基因组的激活至少发生两波，分别是合子中的小ZGA以及2-细胞期的大ZGA【1-2】。合子转录是2-细胞期阶段之后发育所必须的，但是启动ZGA的转录因子在物种间的保守性很差。在果蝇胚胎发育中的，Zelda、GAGA因子GAF以及CLAMP对于ZGA是必不可少的【3-5】；在斑马鱼和青蛙中，Pou家族、Sox家族、Nanog因子对于ZGA是必不可少的【6】；而在哺乳动物中Oct4、Nfya、Yap1、Dux、Rarg、Dppa2和Dppa4与ZGA有关【7】。在但是敲除或基因敲除模型中，Dppa2和Dppa4并不是2细胞胚胎以外的进展所必需的。因此，哺乳动物合子基因组激活以及基本转录因子在很大程度上仍未可知。为了揭开哺乳动物中合子基因组激活的关键调控因子，德国马克斯普朗克生化研究所Kikuë Tachibana研究组在Science发表了题为Zygotic genome activation by the totipotency pioneer factor Nr5a2的研究论文，发现孤儿核受体Nr5a2会作为先锋因子（Pioneer factor）激活小鼠胚胎全基因组的表达以及具体的分子机制。

先锋因子是一类在体外部分基序（Motif）能够结合到核小体DNA上，在体内被募集到封闭的染色质上，通过多种机制诱导局部染色质打开的转录因子【8】。先锋因子在合子基因组激活过程中协同打开果蝇和斑马鱼的基因组，但是对于哺乳动物中ZGA的先锋转录因子还尚不清楚。作者们推测，调控合子基因组激活的转录因子基序富集于ZGA基因的顺式调控区域。为了定义与ZGA相关的基因，作者们比较了两个小鼠品系在卵母细胞到胚胎转变过程中的转录谱，发现其中有2508个ZGA基因显著上调，这两个品系共有的985个基因被称为ZGA核心基因。通过对基序的搜索，作者们发现了这些基因中能够被共同识别的6个基序，该特征基序富集在70%的核心和扩展ZGA基因（图1）。

图1 核心和扩展ZGA基因顺式调控区域富集基序

从这些富集基序中作者们发现了孤儿核受体Nr5a2结合基序、Esrrb结合基序以及核激素受体视黄酸受体Rarg结合基序。由于Rarg对于ZGA不是必须的，作者们将目光集中在了孤儿核受体Nr5a2以及Esrrb之上。为了评估Nr5a2和Esrrb是否为ZGA调控因子，作者们首先检测了两者的表达模式。两者都以转录本的形式存在于中期卵细胞和合子中，Nr5a2在2-细胞胚胎中高度表达。Nr5a2蛋白存在于卵母细胞中，并富集于合子和2-细胞胚胎的细胞核中。Esrrb蛋白则可在2细胞胚胎中检测到。由于Nr5a2蛋白先于ZGA存在，作者们将重点放在该转录因子作为合子基因表达的候选调控因子上。

为了确定Nr5a2是否具有与调节ZGA一致的早期胚胎功能，作者们检测Nr5a2干扰是否影响发育。通过施用Nr5a2特异性抑制剂SR1848，发现Nr5a2活性不仅在2细胞期之后而且在2-细胞期之前都是必需的。Nr5a2在6-36 小时的短暂抑制会导致随后2-细胞发育停滞。这些发现表明Nr5a2在ZGA以及随后的发育过程中发挥着关键作用。

为了检测ZGA全基因组，作者们对2-细胞胚胎进行了单胚胎RNA-seq。通过化学抑制Nr5a2表达会导致5,891个基因的下调，其中包括1,809个严格定义的ZGA基因，占据了全部ZGA基因中的72%。进一步地，为了确定Nr5a2是否结合在2-细胞期胚胎的ZGA基因调控区域，作者们进行了CUT&Tag实验，发现Nr5a2结合在Nr5a2调节的基因的转录起始位点区域，直接控制ZGA基因的表达。另外，通过对于启动子区域以及增强子区域分类，作者们发现Nr5a2倾向于结合在增强子区域。

进一步地通过染色质可及性分析，作者们发现Nr5a2会直接促进染色质可及性的增加，帮助打开染色质，而这正是前文提到的先锋因子的作用。随后通过体外的实验，作者们也证实了Nr5a2以及Esrrb在体外能够结合核小体DNA。

图2 工作模型

总的来说，作者们的工作发现孤儿核受体Nr5a2可激活小鼠胚胎中高达72%的主要ZGA基因（图2）。基于全基因组结合谱、染色质可及性和体外核小体结合实验，作者们确认Nr5a2在小鼠胚胎中促进染色质开放，并作为先锋转录因子启动合子基因组激活。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abn7478

制版人：十一

参考文献

1. F. Aoki, D. M. Worrad, R. M. Schultz, Regulation of transcriptional activity during the first and second cell cycles in the preimplantation mouse embryo. Dev. Biol. 181, 296–307 (1997). doi:10.1006/dbio.1996.8466 Medline

2. G. Flach, M. H. Johnson, P. R. Braude, R. A. Taylor, V. N. Bolton, The transition from maternal to embryonic control in the 2-cell mouse embryo. EMBO J. 1, 681–686 (1982). doi:10.1002/j.1460-2075.1982.tb01230.x Medline

3. H. L. Liang, C.-Y. Nien, H.-Y. Liu, M. M. Metzstein, N. Kirov, C. Rushlow, The zincfinger protein Zelda is a key activator of the early zygotic genome in Drosophila. Nature 456, 400–403 (2008). doi:10.1038/nature07388 Medline

4. M. M. Gaskill, T. J. Gibson, E. D. Larson, M. M. Harrison, GAF is essential for zygotic genome activation and chromatin accessibility in the early Drosophila embryo. eLife 10, e66668 (2021). doi:10.7554/eLife.66668 Medline

5. J. Duan, L. Rieder, M. M. Colonnetta, A. Huang, M. Mckenney, S. Watters, G. Deshpande, W. Jordan, N. Fawzi, E. Larschan, CLAMP and Zelda function together to promote Drosophila zygotic genome activation. eLife 10, e69937 (2021). doi:10.7554/eLife.69937 Medline

6. M. T. Lee, A. R. Bonneau, C. M. Takacs, A. A. Bazzini, K. R. DiVito, E. S. Fleming, A. J. Giraldez, Nanog, Pou5f1 and SoxB1 activate zygotic gene expression during the maternal-to-zygotic transition. Nature 503, 360–364 (2013). doi:10.1038/nature12632 Medline

7. F. Lu, Y. Liu, A. Inoue, T. Suzuki, K. Zhao, Y. Zhang, Establishing Chromatin Regulatory Landscape during Mouse Preimplantation Development. Cell 165, 1375–1388 (2016). doi:10.1016/j.cell.2016.05.050 Medline

8. M. Iwafuchi-Doi, K. S. Zaret, Pioneer transcription factors in cell reprogramming. Genes Dev. 28, 2679–2692 (2014). doi:10.1101/gad.253443.114 Medline

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