清華新聞網(wǎng)11月15日電 哺乳動(dòng)物生命起始于終末分化的精子和卵子通過(guò)受精過(guò)程形成一個(gè)全能性的受精卵。受精卵最初處于全基因組轉(zhuǎn)錄沉默狀態(tài)。不同哺乳動(dòng)物經(jīng)過(guò)一或幾輪細(xì)胞分裂后，受精卵開(kāi)始發(fā)生第一次轉(zhuǎn)錄事件稱(chēng)為合子基因組激活（Zygotic genome activation，ZGA）。ZGA發(fā)生后，隨著胚胎發(fā)育的進(jìn)行，出現(xiàn)第一次譜系分化從而形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM）和外胚層（TE）。ICM隨后發(fā)育形成具有NANOG表達(dá)的外胚層（Epi）和Gata6表達(dá)的原始內(nèi)胚層（PrE）。在體外，ICM可以誘導(dǎo)獲得胚胎干細(xì)胞，胚胎干細(xì)胞以及誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可以一定程度上反映多能性建立和維持的過(guò)程。例如核心多能性轉(zhuǎn)錄因子NANOG、SOX2和OCT4共同調(diào)控多能性的轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)。然而迄今為止，在體內(nèi)，ZGA如何與哺乳動(dòng)物胚胎的第一次譜系分化相連接以及胚胎的多能性如何建立仍然不清楚。
清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉教授課題組于11月7日在《細(xì)胞研究》（Cell Research）期刊上以長(zhǎng)文形式報(bào)道了題為“NR5A2在全能性胚胎中連接合子基因組激活與第一次譜系分化”（NR5A2 connects zygotic genome activation to the first lineage segregation in totipotent embryos）的論文，揭示了轉(zhuǎn)錄因子是如何連接受精卵的合子基因組激活與第一次譜系分化。這一重要發(fā)現(xiàn)闡明了早期胚胎發(fā)育全能性向多能性轉(zhuǎn)換的功能與機(jī)制。
NR5A2在早期胚胎發(fā)育中連接基因組激活與第一次細(xì)胞命運(yùn)決定
NR5A2是一個(gè)核受體家族轉(zhuǎn)錄因子。頡偉課題組前期研究表明發(fā)現(xiàn)NR5A2在ZGA過(guò)程中被激活，并且其DNA結(jié)合基序也在2-8細(xì)胞時(shí)期胚胎開(kāi)放染色質(zhì)中呈現(xiàn)明顯富集。在該研究中，研究人員通過(guò)對(duì)NR5A2的敲低和敲除實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些胚胎會(huì)呈現(xiàn)桑椹胚時(shí)期（16細(xì)胞）阻滯。對(duì)NR5A2敲降的胚胎進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，4-8細(xì)胞時(shí)期特異激活的基因受到影響，但對(duì)全局的ZGA發(fā)生影響則十分有限。隨后，研究人員使用CUT&RUN以及ATAC-seq技術(shù)發(fā)現(xiàn)：（1）NR5A2結(jié)合在2和8細(xì)胞的順式調(diào)控元件（cis-regulatory elements）上，且激活2-8細(xì)胞時(shí)期的基因表達(dá)；（2）NR5A2結(jié)合位點(diǎn)富集大量的B1重復(fù)元件，這些重復(fù)元件上含有大量的OBOX、NR5A2、RARG等早期胚胎發(fā)育重要的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基序；（3）NR5A2對(duì)2細(xì)胞時(shí)期染色質(zhì)開(kāi)放影響不大，但對(duì)8細(xì)胞時(shí)期特異的染色質(zhì)開(kāi)放則至關(guān)重要。很多這些位點(diǎn)在胚胎發(fā)育后期或者胚胎干細(xì)胞時(shí)期會(huì)被NANOG、SOX2、OCT4等多能因子結(jié)合。重要的是，NR5A2在8細(xì)胞時(shí)期激活了關(guān)鍵的多能性基因NANOG和OCT4，以及與胚胎外胚層和原始內(nèi)胚層調(diào)控相關(guān)的關(guān)鍵基因如Tead4、Gata3和Gata6。綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)并深入研究了NR5A2在胚胎中連接ZGA與第一次譜系分化中作用的分子機(jī)制，揭示了轉(zhuǎn)錄因子在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的重要功能。
頡偉教授為論文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院賴(lài)方秾博士（已畢業(yè)）、李麗佳博士（已畢業(yè)）、2019級(jí)博士生胡曉瑜以及博士后劉伯峰為論文的共同第一作者。合作實(shí)驗(yàn)室包括中科院生物物理所鄧紅雨教授和田華彬博士、中科院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心李勁松教授和李慶博士。清華大學(xué)生命學(xué)院2021級(jí)博士生朱子奇、頡偉課題組科研助理劉玲也在課題中作出重要貢獻(xiàn)。
該課題得到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心基因測(cè)序平臺(tái)以及計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和支持。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北京生命科學(xué)中心的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41422-023-00887-z
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
