清華新聞網(wǎng)6月7日電 哺乳動物的卵子成熟和早期胚胎發(fā)育是一個高度復雜的過程，需要精確的基因調(diào)控和表觀遺傳調(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。增強子作為調(diào)控基因表達的重要元件能夠幫助遠程激活和調(diào)控基因表達。然而，由于實驗材料的稀缺，增強子在哺乳動物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過程中參與基因表達調(diào)控的機制目前鮮有研究。在小鼠等哺乳動物卵子及早期胚胎中，諸多表觀基因組特征呈現(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程。有趣的是，基于報告基因的早期研究提示小鼠卵子及合子中可能缺乏增強子活性。然而，這與卵子和胚胎中高度活躍的轉(zhuǎn)錄似乎存在矛盾。那么在哺乳動物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過程中，是否存在活躍的增強子？如果有，這些增強子是如何參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的？有哪些關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同增強子在這個過程中調(diào)控基因表達？由于早期胚胎材料稀缺，這些問題一直是領(lǐng)域內(nèi)的未解之謎。
6月5日，清華大學生命學院頡偉課題組與南京醫(yī)科大學李晶課題組通過緊密合作，在《自然·細胞生物學》（Nature Cell Biology）上發(fā)表了題為“小鼠卵母細胞和早期胚胎增強子鑒定揭示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，揭示了活躍增強子在哺乳動物卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過程中參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機制。該研究驗證了小鼠卵子中活躍增強子的存在，揭示了卵子和早期胚胎發(fā)育過程中增強子不同于成體細胞和組織的獨特屬性，并鑒定了參與調(diào)控卵子發(fā)生過程中增強子的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子——TCF3和TCF12。
先前研究認為，小鼠成熟卵母細胞和受精后合子中缺乏增強子活性。然而，卵子和早期胚胎的多項表觀基因組研究（如開放染色質(zhì)等）提示，在該階段可能存在大量活躍的調(diào)控元件。基因表達在卵子向胚胎的轉(zhuǎn)換過程中，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STAR ChIP-seq技術(shù)鑒定了活躍增強子的標志——組蛋白修飾H3K27ac，檢測了從小鼠初級卵泡卵母細胞直到胚胎內(nèi)細胞團（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個階段的H3K27ac標記的潛在活躍增強子分布動態(tài)圖譜。在受精前后和著床前后，增強子網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了兩次劇烈的重編程過程。與成體細胞組織中的增強子分布數(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子與成體細胞組織中有顯著差異。尤其在成熟卵母細胞中，約50%的活躍增強子是卵子特異的，且這些特異增強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，大量活躍增強子也被組蛋白修飾H3K4me3標記，這與卵子和早期胚胎中低DNA甲基化相關(guān)。在受精前后，組蛋白乙酰化經(jīng)歷了全基因組抹除和在合子基因組激活（ZGA）相關(guān)的增強子的重建。而母源繼承下來的組蛋白修飾H3K27me3則會抑制部分胚胎增強子的建立，特別是H3K27me3介導的印記基因附近的增強子。
研究人員進一步通過實驗驗證了卵子中活躍增強子的存在。首先，他們發(fā)現(xiàn)卵子中的部分增強子能夠雙向轉(zhuǎn)錄。同時，通過優(yōu)化了增強子高通量檢測方法STARR-seq使其能夠應(yīng)用于微量細胞，研究人員驗證了具有H3K27ac雙向轉(zhuǎn)錄標記的70個潛在增強子，其中64%為陽性。隨后，他們采用增強子報告基因方法在卵子中進一步驗證了這70個增強子中的7個，結(jié)果所有這些增強子均為陽性。全基因組分析顯示，這些陽性增強子通常由H3K4me3和Pol II標記，并顯著富集卵子關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合基序。增強子的另外一個特征是富含轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合序列。研究人員進一步研究了不同階段增強子上相關(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在增強子上最為富集的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TCF3和TCF12。敲除TCF3和TCF12會導致卵泡發(fā)育和卵子發(fā)育的嚴重缺陷，并使卵子轉(zhuǎn)錄組停滯在原始卵泡階段，無法激活如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子，這些增強子幫助鑒定出調(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物卵子到早期胚胎中活躍增強子網(wǎng)絡(luò)，揭示了其不同于成體細胞的重要特征。他們通過實驗驗證了卵子中活躍增強子的存在，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，這項研究不僅揭示了卵子發(fā)生和早期胚胎中獨特的增強子及相關(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)換過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了新的視角。
圖.活躍增強子在卵子和早期胚胎中的分布示意圖
清華大學生命學院教授頡偉和南京醫(yī)科大學教授李晶為論文通訊作者，清華大學生命學院博士后劉伯峰、南京醫(yī)科大學副教授何元林、清華大學生命學院助理研究員吳小童、北京農(nóng)學院副教授林自力、清華大學生命學院2019級博士生馬婧論文共同第一作者。合作者包括清華大學醫(yī)學院那潔教授課題組和德國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級博士生邱玥鑫，重慶醫(yī)科大學教授向云龍，頡偉課題組2022級博士生孔鳳也在課題中作出了重要貢獻。
研究得到國家自然科學基金會、國家科技部重點研發(fā)計劃、清華-北京生命科學中心的經(jīng)費支持，同時得到清華大學實驗動物中心、生物醫(yī)學測試中心基因測序平臺以及計算平臺的大力協(xié)助和支持。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41556-024-01422-x
供稿：生命學院
編輯：李華山
審核：郭玲
