清華新聞網(wǎng)1月31日電 在哺乳動(dòng)物早期發(fā)育過(guò)程中，全能性的受精卵經(jīng)歷第一次細(xì)胞命運(yùn)決定，形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)（inner cell mass,ICM）和滋養(yǎng)層（trophectoderm,TE）。部分內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生未來(lái)的多能性（pluripotent）細(xì)胞并最終分化出各種胚胎譜系，而滋養(yǎng)層則主要進(jìn)一步分化為胎盤以支持胚胎發(fā)育。這兩種細(xì)胞命運(yùn)有各種重要的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，這兩類調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子在促進(jìn)各自命運(yùn)程序的同時(shí)也會(huì)抑制對(duì)方程序。但有趣的是，在第一次細(xì)胞命運(yùn)決定之前，許多ICM和TE的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子已經(jīng)開(kāi)始表達(dá)并且存在于同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)。那么在這個(gè)尚未分化的階段，譜系因子是否已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)各自的細(xì)胞命運(yùn)程序，這些因子是否也會(huì)抑制對(duì)方的程序？早期胚胎如何解決這些因子共表達(dá)時(shí)兩種細(xì)胞命運(yùn)的沖突問(wèn)題？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。
1月19日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉教授課題組在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》（Nature Structural & Molecular Biology）期刊上報(bào)道了題為“譜系因子TFAP2C和NR5A2在全能性胚胎中的雙向激活機(jī)制”（Lineage regulators TFAP2C and NR5A2 function asbipotencyactivators in totipotent embryos）的研究論文，揭示了譜系轉(zhuǎn)錄因子在哺乳動(dòng)物第一次細(xì)胞命運(yùn)決定的早期起始階段和晚期決定階段發(fā)揮著不同的功能。該研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)經(jīng)典的譜系轉(zhuǎn)錄因子TFAP2C和NR5A2在全能性小鼠8細(xì)胞胚胎中會(huì)同時(shí)激活多能性和滋養(yǎng)層程序，即“雙向激活”，以啟動(dòng)第一次細(xì)胞命運(yùn)。在隨后的發(fā)育過(guò)程中，譜系調(diào)控因子會(huì)逐漸轉(zhuǎn)為單向激活因子，而這種轉(zhuǎn)換主要是通過(guò)在基因組范圍內(nèi)大規(guī)模的靶基因調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。
TFAP2C和NR5A2此前分別被認(rèn)為屬于滋養(yǎng)層調(diào)控因子和多能性調(diào)控因子，然而它們?cè)诰哂袕V義全能性的8細(xì)胞胚胎中都有高表達(dá)。研究人員首先通過(guò)CUT&RUN技術(shù)捕獲了包括TFAP2C和NR5A2在第一次譜系分化前后多個(gè)階段中與染色質(zhì)全基因組的結(jié)合位點(diǎn)。研究人員同時(shí)也構(gòu)建了基因敲除（TFAP2C）以及敲低（NR5A2）的胚胎來(lái)解析這些譜系轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。出人意料的是，研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞命運(yùn)的起始階段，滋養(yǎng)層調(diào)控因子TFAP2C并沒(méi)有特異性開(kāi)啟TE命運(yùn)程序，而是同時(shí)激活了一部分表達(dá)較早的ICM和TE程序相關(guān)基因。研究人員將這種現(xiàn)象稱為“雙向激活”（bipotencyactivation）。
研究人員進(jìn)一步探索了TFAP2C在第一次細(xì)胞命運(yùn)決定后是如何促進(jìn)滋養(yǎng)層程序的分子機(jī)制。在已分化的TE細(xì)胞中，TFAP2C脫離ICM相關(guān)基因，但保留早期TE相關(guān)基因的結(jié)合，并進(jìn)一步結(jié)合和激活晚期TE相關(guān)基因，最終實(shí)現(xiàn)特異性激活滋養(yǎng)層基因。TFAP2C如何實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換機(jī)制并不完全清楚，研究人員猜測(cè)可能與其他譜系特異因子的激活相關(guān)。比如CDX2是另外一個(gè)TE調(diào)控因子，其表達(dá)晚于TFAP2C。研究人員觀察到TE細(xì)胞中TFAP2C和CDX2結(jié)合具有明顯的共定位，同時(shí)敲除TFAP2C能夠部分影響CDX2在基因組上的結(jié)合。這種轉(zhuǎn)錄因子之間的協(xié)助甚至可以發(fā)生在不同譜系因子之間。在植入后的胚外外胚層（ExE）中，研究者觀察到TFAP2C與經(jīng)典的多能性轉(zhuǎn)錄因子SOX2共定位并調(diào)控胚外基因的表達(dá)。TFAP2C的缺失也會(huì)影響SOX2在基因組上的結(jié)合。另外，這種譜系因子在命運(yùn)決定早期“雙向激活”的功能也適用于NR5A2。NR5A2在8細(xì)胞胚胎中類似地結(jié)合并激活了早期表達(dá)的ICM和TE譜系基因，而在胚胎干細(xì)胞（ESC）中則主要特異性激活I(lǐng)CM和多能性程序。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，研究人員提出，轉(zhuǎn)錄因子不應(yīng)該被簡(jiǎn)單地定義為譜系因子。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄因子在不同細(xì)胞中的功能可能完全不同（比如SOX2在epiblast中能夠促進(jìn)胚胎譜系發(fā)育程序，但在ExE組織中能夠促進(jìn)胚外發(fā)育程序）。相反，多個(gè)互相影響的轉(zhuǎn)錄因子能夠組成譜系模塊（lineage module），這種模塊可能是決定細(xì)胞命運(yùn)的關(guān)鍵。單個(gè)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)特定的細(xì)胞譜系的功能在譜系模塊中才能被更加準(zhǔn)確地定義。綜上所述，該研究不僅揭示了早期胚胎中獨(dú)特的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，還為轉(zhuǎn)錄因子在不同細(xì)胞中的功能和作用模式提供了新的視角。
TFAP2C與NR5A2在早期胚胎第一次細(xì)胞命運(yùn)決定前后的功能示意圖
頡偉為該論文的通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院2017級(jí)博士生李麗佳（已畢業(yè)）和賴方秾（已畢業(yè)）為共同第一作者。頡偉課題組科研助理劉玲，博士后盧緒坤，2019級(jí)博士生胡曉瑜以及博士后劉伯峰在該課題中作出重要貢獻(xiàn)。
研究得到清華大學(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，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。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41594-023-01199-x
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
