哺乳動物合子基因組激活過程中RNA聚合酶參與轉錄起始的調控機理

2020-12-10 中國生物技術網

合子基因組是如何激活的是發育生物學中重要的科學問題之一。之前的研究表明，幾乎所有已研究的物種的成熟卵母細胞均處於轉錄沉默狀態。受精後，基因組仍然在一段時間內保持沉默，而在受精卵分裂到一定時期後（比如小鼠在2細胞晚期，人在8細胞時期），基因組迅速激活並完成，同時母源積累的RNA逐漸降解，最終完成從母源轉錄組向合子轉錄組的轉變。合子基因組的激活通常經歷兩個階段，即初級ZGA（minor ZGA，ZGA，zygotic genome activation）與主要ZGA（major ZGA）。

在小鼠早期胚胎發育過程中，初級ZGA起始於在一細胞中晚期，主要轉錄一小部分基因和一些重複序列。後來的研究表明基因組中還大範圍存在微弱的轉錄活性，並產生一些沒有正常PolyA加尾和剪切的低水平轉錄本。主要ZGA則發生在二細胞晚期，表徵為大量基因的正常激活。有趣的是，通過藥物抑制初級ZGA的發生，會引起合子基因不能正常激活，以及胚胎發育阻滯在二細胞階段。

ZGA為什麼不在受精後立即開始，而需要等待一段時間？初級ZGA為什麼對胚胎發育重要？合子基因組激活是如何發生的？由於早期胚胎實驗材料有限，這些重要的生物學問題一直沒有被很好地回答。

2020年10月28日，清華大學生命學院頡偉研究組在 Nature 期刊上發表題為：The landscape of RNA Pol II binding reveals a step-wise transition during ZGA（RNA聚合酶II在早期胚胎合子基因組激活過程中的動態變化）的研究論文。

該研究揭示了小鼠早期胚胎中RNA聚合酶II通過「三步走」的模式參與實現基因組激活的過程。

該發現不僅有助於我們進一步理解合子基因組激活（ZGA，zygotic genome activation）這一重要生物學事件的基本機制，也為早期胚胎發育相關疾病與輔助生殖相關研究提供了重要的理論基礎。

RNA聚合酶II（Pol II）是轉錄活動的關鍵元件。但由於胚胎樣品數量稀少，無法使用傳統ChIP-seq來檢測其在染色質上的分布。在該研究中，頡偉課題組與合作者開發了高靈敏度方法來檢測蛋白和DNA在全基因組相互作用——Stacc-seq（small-scale Tn5-assisted chromatin cleavage with sequencing），實現了在少量細胞水平上進行Pol II的檢測，並利用該技術系統檢測了小鼠卵母細胞與早期胚胎發育過程中Pol II染色質結合的動態過程。

研究人員發現，在受精後，Pol II採用了「三步走」的模式來參與基因組激活：1）起始結合 (loading)：Pol II在成熟卵母細胞中開始脫離染色質。在受精卵後期重新結合在富含CG序列的啟動子區域以及部分處於開放染色質狀態的遠端區域。此外，Pol II結合位點與親本遺傳的表觀基因組部分特徵相關。比如Pol II結合與DNA甲基化呈現負相關性。去除母源DNA甲基化能夠導致更多的Pol II結合，提示母源表觀遺傳修飾能夠部分影響Pol II結合；2）預配置(pre-configuration)：受精卵進入二細胞早期，Pol II開始主動結合到ZGA基因啟動子，為即將開始的合子基因轉錄準備。這個過程在基因組激活前就已經開始發生，研究人員命名為預配置（pre-configuration）；3）起始轉錄 （production）：隨著二細胞進入中晚期，大量Pol II在ZGA基因體延伸，啟動轉錄。

這些研究可能很好地解釋了為什麼ZGA不會受精後立即發生。由於受精後表觀遺傳重編程正在發生，轉錄機器（比如Pol II）起始的結合基因並不都是最終需要轉錄的基因。因此，ZGA需要等待染色質和轉錄機器的成熟並最終同步發生。那麼初級ZGA是如何影響合子基因組激活呢？有趣的是，通過短暫抑制Pol II在初級ZGA時期轉錄延伸，而允許其在主要ZGA時轉錄延伸，研究人員發現Pol II能夠發生起始結合，但不能發生預配置的轉換，導致其即不能正常脫離起始結合區域以及有效結合到ZGA基因區，進而導致不充分的合子基因組激活以及部分1細胞Pol II 靶基因（包括發育基因）的異常表達。

這些結果表明，初級ZGA對Pol II從起始結合到預配置的轉變非常重要，從而調控合子基因組激活。最後，初級ZGA是如何調控Pol II從起始結合到預配置的轉變呢？研究人員猜測可能由於Pol II的在染色質上的轉錄活性或初級ZGA產物可以促進或幫助其穩定結合在合子基因啟動子，並形成正反饋機制。

綜上所述，該研究系統地探索了早期胚胎發育過程中合子基因組激活發生過程中的Pol II參與啟動基因轉錄的模式，揭示了初級ZGA在Pol II 「三步走」和主要ZGA（major ZGA）發生中的重要功能和機制，為進一步探究哺乳動物合子基因組激活和早期胚胎發育機理奠定了理論基礎。

RNA聚合酶II 參與小鼠胚胎中合子基因組激活的調控模式

據悉，清華大學生命科學學院頡偉教授為本文通訊作者，清華大學生命科學學院博士後劉伯峰、徐倩華、王秋軍為本文共同第一作者。馮速、聶俊偉等人參與共同研究。合作實驗室包括清華大學醫學院那潔課題組，中國科學院生物物理研究所俞洋課題組。清華大學生命學院頡偉課題組博士生賴方穠、那潔課題組博士生王培哲也在該課題中做出重要貢獻。

論文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2847-y

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