清華新聞網(wǎng)6月7日電 哺乳動(dòng)物的卵子成熟和早期胚胎發(fā)育是一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程，需要精確的基因調(diào)控和表觀(guān)遺傳調(diào)控。然而，其轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)元件目前還有待深入研究。增強(qiáng)子作為調(diào)控基因表達(dá)的重要元件能夠幫助遠(yuǎn)程激活和調(diào)控基因表達(dá)。然而，由于實(shí)驗(yàn)材料的稀缺，增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中參與基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制目前鮮有研究。在小鼠等哺乳動(dòng)物卵子及早期胚胎中，諸多表觀(guān)基因組特征呈現(xiàn)出非經(jīng)典模式，且在受精及著床前后經(jīng)歷了劇烈的重編程過(guò)程。有趣的是，基于報(bào)告基因的早期研究提示小鼠卵子及合子中可能缺乏增強(qiáng)子活性。然而，這與卵子和胚胎中高度活躍的轉(zhuǎn)錄似乎存在矛盾。那么在哺乳動(dòng)物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，是否存在活躍的增強(qiáng)子？如果有，這些增強(qiáng)子是如何參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的？有哪些關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同增強(qiáng)子在這個(gè)過(guò)程中調(diào)控基因表達(dá)？由于早期胚胎材料稀缺，這些問(wèn)題一直是領(lǐng)域內(nèi)的未解之謎。
6月5日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉課題組與南京醫(yī)科大學(xué)李晶課題組通過(guò)緊密合作，在《自然·細(xì)胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）上發(fā)表了題為“小鼠卵母細(xì)胞和早期胚胎增強(qiáng)子鑒定揭示TCF3/12為卵泡發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)控因子”（Mapping putative enhancers in mouse oocytes and early embryos reveals TCF3/12 as key folliculogenesis regulators）的研究論文，揭示了活躍增強(qiáng)子在哺乳動(dòng)物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)制。該研究驗(yàn)證了小鼠卵子中活躍增強(qiáng)子的存在，揭示了卵子和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中增強(qiáng)子不同于成體細(xì)胞和組織的獨(dú)特屬性，并鑒定了參與調(diào)控卵子發(fā)生過(guò)程中增強(qiáng)子的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子——TCF3和TCF12。
先前研究認(rèn)為，小鼠成熟卵母細(xì)胞和受精后合子中缺乏增強(qiáng)子活性。然而，卵子和早期胚胎的多項(xiàng)表觀(guān)基因組研究（如開(kāi)放染色質(zhì)等）提示，在該階段可能存在大量活躍的調(diào)控元件。基因表達(dá)在卵子向胚胎的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，經(jīng)歷了從全基因組沉默到合子基因組激活的巨大變化。研究人員通過(guò)STAR ChIP-seq技術(shù)鑒定了活躍增強(qiáng)子的標(biāo)志——組蛋白修飾H3K27ac，檢測(cè)了從小鼠初級(jí)卵泡卵母細(xì)胞直到胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（ICM）階段的全基因組分布，并結(jié)合頡偉課題組前期發(fā)表的著床后胚胎的H3K27ac數(shù)據(jù)，繪制了涵蓋小鼠配子及著床前后胚胎16個(gè)階段的H3K27ac標(biāo)記的潛在活躍增強(qiáng)子分布動(dòng)態(tài)圖譜。在受精前后和著床前后，增強(qiáng)子網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了兩次劇烈的重編程過(guò)程。與成體細(xì)胞組織中的增強(qiáng)子分布數(shù)據(jù)相比，研究發(fā)現(xiàn)卵子和著床前胚胎中的活躍增強(qiáng)子與成體細(xì)胞組織中有顯著差異。尤其在成熟卵母細(xì)胞中，約50%的活躍增強(qiáng)子是卵子特異的，且這些特異增強(qiáng)子大量分布在基因密度較低的基因荒漠區(qū)域。在卵子和著床前胚胎中，大量活躍增強(qiáng)子也被組蛋白修飾H3K4me3標(biāo)記，這與卵子和早期胚胎中低DNA甲基化相關(guān)。在受精前后，組蛋白乙?；?jīng)歷了全基因組抹除和在合子基因組激活（ZGA）相關(guān)的增強(qiáng)子的重建。而母源繼承下來(lái)的組蛋白修飾H3K27me3則會(huì)抑制部分胚胎增強(qiáng)子的建立，特別是H3K27me3介導(dǎo)的印記基因附近的增強(qiáng)子。
研究人員進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了卵子中活躍增強(qiáng)子的存在。首先，他們發(fā)現(xiàn)卵子中的部分增強(qiáng)子能夠雙向轉(zhuǎn)錄。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化了增強(qiáng)子高通量檢測(cè)方法STARR-seq使其能夠應(yīng)用于微量細(xì)胞，研究人員驗(yàn)證了具有H3K27ac雙向轉(zhuǎn)錄標(biāo)記的70個(gè)潛在增強(qiáng)子，其中64%為陽(yáng)性。隨后，他們采用增強(qiáng)子報(bào)告基因方法在卵子中進(jìn)一步驗(yàn)證了這70個(gè)增強(qiáng)子中的7個(gè)，結(jié)果所有這些增強(qiáng)子均為陽(yáng)性。全基因組分析顯示，這些陽(yáng)性增強(qiáng)子通常由H3K4me3和Pol II標(biāo)記，并顯著富集卵子關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合基序。增強(qiáng)子的另外一個(gè)特征是富含轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合序列。研究人員進(jìn)一步研究了不同階段增強(qiáng)子上相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合序列，發(fā)現(xiàn)卵子和著床前后胚胎中的活躍增強(qiáng)子中轉(zhuǎn)錄因子序列發(fā)生了顯著變化。研究人員在卵子中鑒定了兩個(gè)在增強(qiáng)子上最為富集的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TCF3和TCF12。敲除TCF3和TCF12會(huì)導(dǎo)致卵泡發(fā)育和卵子發(fā)育的嚴(yán)重缺陷，并使卵子轉(zhuǎn)錄組停滯在原始卵泡階段，無(wú)法激活如Zp1/2/3等卵子發(fā)育關(guān)鍵基因。上述結(jié)果表明，卵子中存在活躍的增強(qiáng)子，這些增強(qiáng)子幫助鑒定出調(diào)控卵泡發(fā)生和卵子發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TCF3和TCF12。綜上所述，研究人員鑒定了哺乳動(dòng)物卵子到早期胚胎中活躍增強(qiáng)子網(wǎng)絡(luò)，揭示了其不同于成體細(xì)胞的重要特征。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了卵子中活躍增強(qiáng)子的存在，并以此鑒定了卵子中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TCF3和TCF12。綜上所述，這項(xiàng)研究不僅揭示了卵子發(fā)生和早期胚胎中獨(dú)特的增強(qiáng)子及相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，還為理解卵子發(fā)生及卵子胚胎轉(zhuǎn)換過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新的視角。
圖.活躍增強(qiáng)子在卵子和早期胚胎中的分布示意圖
清華大學(xué)生命學(xué)院教授頡偉和南京醫(yī)科大學(xué)教授李晶為論文通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院博士后劉伯峰、南京醫(yī)科大學(xué)副教授何元林、清華大學(xué)生命學(xué)院助理研究員吳小童、北京農(nóng)學(xué)院副教授林自力、清華大學(xué)生命學(xué)院2019級(jí)博士生馬婧論文共同第一作者。合作者包括清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔教授課題組和德國(guó)慕尼黑亥姆霍茲研究中心瑪麗亞·埃琳娜·托雷斯-帕迪拉（Maria Elena Torres-Padilla）教授課題組。李晶課題組2022級(jí)博士生邱玥鑫，重慶醫(yī)科大學(xué)教授向云龍，頡偉課題組2022級(jí)博士生孔鳳也在課題中作出了重要貢獻(xiàn)。
研究得到國(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，同時(shí)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。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01422-x
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
