哺乳动物早期胚胎发育起始于受精的卵母细胞。随后胚胎在2-细胞阶段发生合子基因组激活 (Zygotic genome activation, ZGA)，此时大量基因开始表达，为胚胎后续发育打下基础。随着囊胚形成，胚胎完成第一次细胞命运决定，分化成内细胞团 (Inner cell mass, ICM) 和滋养层细胞 (Trophectoderm, TE)。滋养层将来主要分化为胎盘以支持胚胎发育，内细胞团则进一步分化成外胚层 (Epiblast, EPI) 及原始内胚层（Primitive Endoderm, PrE），完成第二次细胞命运决定。此时的EPI获得naïve多能性 (naïve pluripotency)，最终分化成胚胎各种谱系【1,2】。虽然第一次细胞命运决定的分子机制已经基本研究透彻，但胚胎是如何驱动第二次细胞命运决定的还不清楚。尤其是EPI形成过程中，驱动naïve多能性建立的核心转录因子是什么？它们是如何调控naïve多能性建立的？这些问题亟待解决。2025年1月2日，来自美国哈佛医学院和波士顿儿童医院的张毅教授研究团队在Nature Cell Biology杂志上发表了题为The transcription factor GABPA is a master regulator of naïve pluripotency的研究论文。研究团队找到了胚胎naïve多能性建立的关键转录因子GABPA，并对GABPA 调控naïve多能性建立的分子机制进行了系统研究。该研究揭示了以GABPA为核心，多转录因子协同作用的胚胎naïve多能性建立的动态模型。
首先研究人员利用多组学分析，找到了潜在的naïve多能性调控因子GABPA。由于Gabpa 敲除导致胚胎着床前阻滞，传统的基因敲除方法无法解析GABPA在胚胎naïve多能性建立过程中的功能。为了解决这一问题，研究人员巧妙的利用降解标签（dTAG）系统构建了Gabpa-dTAG小鼠。通过在培养液中添加小分子dTAG13，可以在早期胚胎发育的任意时期，快速、高效的降解GABPA。胚胎内源性GABPA可以在dTAG13添加后的4个小时内彻底降解。由于GABPA在2-细胞高表达，结合基因敲除的发育阻滞表型，研究人员猜测：GABPA是否与合子基因组激活有关？因此在进行多能性研究之前，研究人员首先对GABPA在这一时期的功能进行了探究。结果显示，GABPA通过启动子区直接结合的方式调控了一系列major ZGA基因。值得一提的是，以往的研究认为minor ZGA的发生对于major ZGA非常重要，但缺乏例证。GABPA作为一个minor ZGA基因，本研究不仅证明了GABPA是一个新的ZGA调控因子，而且为minor ZGA调控major ZGA的观点提供了直接证据。进一步研究表明，在E3.5胚胎中降解GABPA不影响PrE的形成，但是会显著降低EPI的细胞数量，表明GABPA 对EPI的特异性调控。转录组分析显示GABPA缺失会导致大量多能性基因如Nanog、Sox2及Fgf4等的显著下调，但是PrE特异性基因如Sox7及Sox17的表达不受影响，这与GABPA缺失影响EPI而非PrE的表型一致。CUT&RUN分析发现GABPA结合在多能性基因启动子及增强子区，表明GABPA对多能性基因的直接调控。同时，GABPA降解导致其目标区域H3K27ac水平下降，表明GABPA对转录活性是必须的。随后，研究人员对GABPA在E4.5 EPI及体外培养的naïve ESC中的功能进行了比较，结果显示GABPA在两种细胞中调控相似的多能性基因，表明GABPA是一个体内体外功能保守的naïve多能性调控因子。着床前胚胎naïve多能性建立是一个复杂且持续的过程。先前研究报道，转录因子TFAP2C及SOX2分别在8-细胞及E3.5 ICM调控多能性基因【3】。为了探究GABPA是如何与这些转录因子协同作用，共同调控naïve多能性建立的。研究人员对各个转录因子在ICM/EPI基因上的结合进行了分析。有意思的是，TFAP2C在8-细胞及E3.5胚胎结合在ICM基因启动子区，并主要调控ICM基因。在E3.5 ICM到E4.5 ICM转换过程中，SOX2在ICM基因的结合减弱，而GABPA在ICM基因的结合增强，显示GABPA对SOX2的“接管”。这些证据表明，naïve多能性的建立是一个多转录因子协同作用的结果（图1）。图1. GABPA为核心的转录因子调控胚胎naïve多能性建立总之，这一研究不但揭示了GABPA在合子基因激活中的重要作用，还揭示了它在初始多能性建立过程中的核心地位，并提出了多能性转录因子动态协同的新模式。这一发现为理解哺乳动物胚胎发育、多能性建立及维持机制提供了新视角，同时对再生医学中的干细胞研究具有深远意义。该项研究由哈佛医学院/波士顿儿童医院张毅教授实验室完成。周成杰博士、王萌博士及张春霞博士（现为中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员）为该研究的共同第一作者，张毅教授为本文的通讯作者。哺乳动物胚胎发育早期，合子基因组激活（ZGA）和多能性获得是两个至关重要的事件。深入解析其背后的分子机制，不仅能够加深对哺乳动物胚胎发育规律的理解，也为再生医学领域提供了新的理论基础与研究方向。多能性的建立与细胞命运的决定高度依赖于转录因子之间的动态协作。然而，着床前胚胎中，转录因子如何顺承时序的驱动ZGA与naïve多能性的建立，仍是未被完全解答的科学难题。传统的基因敲除方法在解析转录因子的阶段性功能方面存在局限，而靶向蛋白降解技术的快速发展，为揭示这些转录因子的时空功能提供了前所未有的研究契机。本研究利用靶向蛋白降解技术（dTAG），首次系统地揭示了ZGA时期特异启动激活的转录因子GABPA不仅仅直接结合major ZGA基因的启动子启动了ZGA程序，而且在第一次细胞命运决定之后协助建立了naïve多能性调控网络。在E4.5阶段，GABPA通过调控多能性基因的转录激活，驱动内细胞团（ICM）向上胚层（EPI）的转变。进一步分析显示，值得注意的是，与SOX2相比，GABPA在EPI基因激活中的作用更为广泛且关键，揭示了从TFAP2C到SOX2再到GABPA的分阶段调控模型，为naïve多能性建立的动态调控网络提供了全新视角。通过创新性的实验设计和多层次数据支持，本研究首次鉴定了可同时介导ZGA激活和多能性调控网络建立的转录因子GABPA，为深入理解多能性与全能性的关系提供了新的视角。这一发现填补了胚胎发育早期研究中的重要空白，也为精准医学领域开辟了新的可能性。而在其他哺乳动物及人类胚胎中验证GABPA的保守性与功能，或将揭示其在调控胚胎发育中的普适性机制，为干细胞培养和操控技术提供了新的靶点和策略。原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01554-0
制版人：十一
1. Zernicka-Goetz, M., Morris, S.A. & Bruce, A.W. Making a firm decision: multifaceted regulation of cell fate in the early mouse embryo. Nat Rev Genet 10, 467-477 (2009).2. Chen, Q., Shi, J., Tao, Y. & Zernicka-Goetz, M. Tracing the origin of heterogeneity and symmetry breaking in the early mammalian embryo. Nat Commun 9, 1819 (2018).3. Li, L. et al. Multifaceted SOX2-chromatin interaction underpins pluripotency progression in early embryos. Science 382, eadi5516, doi:10.1126/science.adi5516 (2023).
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