清華新聞網(wǎng)8月25日電 在動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中，受精后的父母源基因組會(huì)經(jīng)歷一次大規(guī)模的三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑?；蚪M常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domains, TADs）和區(qū)室（compartments）幾乎存在于所有細(xì)胞中。但在受精后，TADs和compartments迅速解體，同時(shí)染色質(zhì)呈現(xiàn)出一種高度松弛的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的“擦除”被認(rèn)為有助于重置基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為胚胎發(fā)育啟動(dòng)提供新的起點(diǎn)。該過(guò)程在目前所有已研究的動(dòng)物早期胚胎（包括果蠅、爪蟾、斑馬魚(yú)、青鳉魚(yú)、小鼠、豬以及人類(lèi)）中均高度保守。另一方面，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的逐步重建同時(shí)伴隨著合子基因組激活（zygotic genome activation, ZGA）的發(fā)生。然而，對(duì)于哺乳動(dòng)物中這一過(guò)程中染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是如何被建立，以及其與生命的第一次基因表達(dá)之間的關(guān)系，科學(xué)界仍知之甚少。
近日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉課題組在《自然》（Nature）上發(fā)表題為“早期胚胎中染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)重建與胚胎超轉(zhuǎn)錄間的相互作用”（Establishment of chromatin architecture interplays with embryohypertranscription）的研究論文，系統(tǒng)研究了小鼠早期胚胎中染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)逐步建立過(guò)程的調(diào)控機(jī)制，并揭示了其與一種特殊“超轉(zhuǎn)錄”狀態(tài)之間的雙向作用，超活躍的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)與染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)相互促進(jìn)，共同推動(dòng)胚胎發(fā)育基因程序。
研究首先發(fā)現(xiàn)，調(diào)控染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子CTCF在整個(gè)小鼠早期發(fā)育過(guò)程中始終穩(wěn)定結(jié)合于基因組。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，除了大多數(shù)保守的CTCF結(jié)合位點(diǎn)外，CTCF還結(jié)合于兩類(lèi)可變區(qū)域：一類(lèi)在1-2細(xì)胞期結(jié)合較弱，8細(xì)胞時(shí)期后顯著增強(qiáng)，主要分布在啟動(dòng)子區(qū)域，且與部分ZGA基因相關(guān)；另一類(lèi)則在1-8細(xì)胞期結(jié)合較強(qiáng)，但在囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（inner cell mass，ICM）及后續(xù)階段迅速消失，這類(lèi)位點(diǎn)多位于SINE B2重復(fù)元件上。B2位點(diǎn)上的CTCF結(jié)合減少與轉(zhuǎn)錄因子ADNP在同一時(shí)期的高表達(dá)密切相關(guān)。ADNP能夠與CTCF競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合這些B2位點(diǎn)。在A(yíng)DNP缺失的胚胎中，B2位點(diǎn)的CTCF結(jié)合和染色質(zhì)絕緣性都得以恢復(fù)，這些結(jié)果揭示了早期胚胎中特定重復(fù)序列上CTCF結(jié)合及其對(duì)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)控的機(jī)制，與去年高亞威/張勇/高紹榮課題組研究結(jié)果一致。
相比CTCF的穩(wěn)定結(jié)合模式，另一種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)蛋白——黏連蛋白復(fù)合物（cohesin）在1細(xì)胞期結(jié)合水平極低。這與早期胚胎中cohesin組份及其裝載因子NIPBL的低表達(dá)，以及卸載因子WAPL的高表達(dá)一致。較低的裝載效率和較高的卸載效率使得cohesin的環(huán)擠壓過(guò)程的持續(xù)性不足。隨著發(fā)育從2細(xì)胞期到8細(xì)胞期推進(jìn)，cohesin及NIPBL的表達(dá)增強(qiáng)，WAPL表達(dá)下調(diào)，cohesin的環(huán)擠壓能力逐步增強(qiáng)，TAD結(jié)構(gòu)隨之逐漸恢復(fù)。
小鼠早期胚胎中染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的重建與超轉(zhuǎn)錄狀態(tài)間的相互作用
有趣的是，研究團(tuán)隊(duì)在2-8細(xì)胞期胚胎中的活躍基因上發(fā)現(xiàn)了特殊的cohesin富集現(xiàn)象，通常覆蓋于整個(gè)基因體區(qū)域。研究人員將其定義為geniccohesinislands（GCIs）。GCIs是早期胚胎特有的，在ICM和后續(xù)階段的胚胎中迅速消失。進(jìn)一步研究表明，GCIs與RNA聚合酶II（Pol II）高度共定位。短暫抑制轉(zhuǎn)錄延伸會(huì)導(dǎo)致GCIs迅速消失，而誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄則可在胚胎中產(chǎn)生新的GCIs，表明GCIs的形成依賴(lài)于活躍轉(zhuǎn)錄。為了探究為何GCIs僅在早期短暫出現(xiàn)，研究人員對(duì)Pol II的結(jié)合模式和轉(zhuǎn)錄活性進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)2-8細(xì)胞期胚胎處于一種顯著的“超轉(zhuǎn)錄”（hypertranscription）狀態(tài)，其新激活基因的轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度比胚胎干細(xì)胞分化階段高6-10倍，比原腸胚形成階段高2-3倍。這種超轉(zhuǎn)錄狀態(tài)可能是產(chǎn)生早期胚胎特異的GCIs的必要條件之一。
隨后的功能分析顯示，GCI相關(guān)基因更加富集于染色質(zhì)結(jié)構(gòu)組織、發(fā)育調(diào)控及細(xì)胞命運(yùn)決定等關(guān)鍵調(diào)控類(lèi)基因類(lèi)別。這些基因鄰近區(qū)域富集活躍增強(qiáng)子和胚胎特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合如OBOX、NR5A2、TFAP2C，以及有著更多cohesin裝載因子NIPBL的結(jié)合，這可能為GCIs的形成提供了大量的cohesin裝載位點(diǎn)。已有研究表明，RNA聚合酶可作為障礙（barrier）阻止cohesin在染色質(zhì)上的滑動(dòng)，進(jìn)而影響染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)2-4。進(jìn)一步的Hi-C分析發(fā)現(xiàn)，GCIs可以作為轉(zhuǎn)錄依賴(lài)的絕緣元件，與鄰近的CTCF位點(diǎn)協(xié)同形成類(lèi)似TAD的相互作用域，且無(wú)明顯方向偏好性。反過(guò)來(lái)，cohesin的部分敲降削弱了GCIs的絕緣效應(yīng)，同時(shí)降低了GCI基因表達(dá)，最終胚胎停滯于桑椹胚（morula）階段。最后，研究人員發(fā)現(xiàn)GCI基因具有較低的表達(dá)噪音，而這種表達(dá)的穩(wěn)定性依賴(lài)于cohesin，提示GCIs保障快速發(fā)育的胚胎中關(guān)鍵調(diào)控基因的穩(wěn)定高水平表達(dá)。
綜上，研究揭示了小鼠早期胚胎中染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)重建與超轉(zhuǎn)錄狀態(tài)間的相互作用：在ZGA之后，胚胎迅速激活特定調(diào)控基因，高密度的RNA聚合酶II在基因內(nèi)部阻滯cohesin的滑動(dòng)，從而形成GCIs。GCIs反過(guò)來(lái)與CTCF協(xié)同建立高級(jí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)胚胎高效而穩(wěn)定地轉(zhuǎn)錄。研究提示，GCIs可能是在TAD尚未完全建立時(shí)承擔(dān)胚胎關(guān)鍵基因特異高效表達(dá)的功能。此項(xiàng)工作為理解轉(zhuǎn)錄與三維基因組結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系提供了新的思路。
清華大學(xué)生命學(xué)院教授頡偉為論文通訊作者，生命學(xué)院博士后于廣、博士后許鍇（已出站）、博士后夏煒焜（已出站）、2016級(jí)博士生張珂（已畢業(yè)）為論文共同第一作者。
研究得到清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心的大力協(xié)助和支持，同時(shí)得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和中國(guó)博士后科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09400-5
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
