專家點評Nature Genetics | 張毅團隊證明體內DUX並非小鼠胚胎基因組激活的關鍵因子
點評 | 汪陽明(北京大學)
責編 | 兮
高度分化的精子和卵子在受精之後如何轉變成具有全能性(totipotency)的受精卵一直是發育生物學中尚待解決的問題。在受精之後較短的時間裡,受精卵的生命活動主要依賴於卵子發育過程中積累的母源因子。隨著母源因子的逐漸消耗和降解,受精卵的繼續發育需要其自身基因組的激活來提供必需的相關物質。這一過程也稱之為胚胎基因組激活(zygotic genome activation,ZGA)。因為胚胎基因組激活是受精卵獲得全能性的必要條件之一,所以對於ZGA機制的研究一直是幹細胞生物學,表觀遺傳學,和發育生物學等領域的熱門課題。然而,哪些母源因子負責激活胚胎基因組和受精過程怎樣調控母源因子去激活胚胎基因組目前尚不清楚。研究ZGA的技術瓶頸主要在於哺乳動物早期胚胎中只有極少量的細胞。而實驗材料來源的限制導致很多的常見的生物學方法難以應用到涉及早期胚胎的研究中。近年來,一些能夠用少量細胞來檢測全基因組染色質修飾技術的建立使得人們對ZGA這一生命現象有了更深入的理解。例如,通過對胚胎基因組激活時期開放染色質區域轉錄因子結合特徵序列的分析,張毅教授和劉江教授課題組發現了轉錄因子Nfya和OCT4分別在激活小鼠和人的胚胎基因組中起重要作用【1,2】。由於Nfya和OCT4隻能激活一小部分胚胎基因組,這說明負責激活胚胎基因組的主要轉錄因子還未找到。
在小鼠的胚胎幹細胞中,有少量的細胞(~1%)能夠表達一些在胚胎基因組激活時期特異性表達的基因,例如MERVL和Zscan4。因為小鼠的胚胎基因組激活發生在2-細胞胚胎時期,所以這些細胞也被稱之為2-cell embryo-like embryonic stem cells (2C-likecells)。2C-like 細胞和2-細胞胚胎的轉錄組具有一定的相似性,並且與2-細胞胚胎相比,2C-like 細胞更容易獲取。目前,2C-like 細胞是最為常見的用於研究胚胎基因組激活的體外實驗模型。
2017 年,通過研究2C-like 細胞,三個課題組分別報導了DUX/DUX4轉錄蛋白可能是激活小鼠和人胚胎基因組的關鍵因子【3-5】。DUX/DUX4是屬於Homeobox家族的轉錄激活因子。DUX/DUX4在基因組上位於一段約160kb串聯重複的序列中。每一個重複序列單元中都包含一個DUX/DUX4的開放閱讀框。目前並沒有DUX/DUX4敲除小鼠的報導,所以DUX/DUX4在正常發育過程中的功能尚不清楚。但是,DUX/DUX4在肌肉細胞中的異常激活會導致面肩胛肱型肌營養不良症(Facioscapulohumeral muscular dystrophy, FSHD)。這三篇研究論文主要發現肌肉細胞或胚胎幹細胞中過表達DUX/DUX4會激活一部分只有在胚胎基因組激活時期才會表達的基因。過表達DUX/DUX4不但能夠把2C-like 細胞在胚胎幹細胞中的比例從1%提高到50-70%,而且敲除或敲降DUX/DUX4之後,胚胎幹細胞失去了轉變成2C-like 細胞的能力。這一系列的實驗研究證明DUX/DUX4是在2C-like 細胞中激活ZGA基因的必要因子。然而DUX/DUX4在2-細胞胚胎中對基因組激活的功能還未被證明。
2019年5月27日,來自哈佛醫學院的張毅教授、陳志遠博士研究團隊在Nature Genetics雜誌上在線發表了題為Loss of DUX causes minor defects in zygotic genome activation and is compatible with mouse development 的文章。該團隊發現,與2C-like細胞中的關鍵作用相反,DUX並非是小鼠2-細胞時期激活胚胎基因組的必要轉錄因子。