全能性先锋因子Nr5a2促进合子基因组激活

　　撰文丨十一月

　　在合子基因组激活（Zygotic genome activation，ZGA）过程中，基因控制从母体转移到胚胎，生命由此开启。小鼠胚胎基因组的激活至少发生两波，分别是合子中的小ZGA以及2-细胞期的大ZGA【1-2】。合子转录是2-细胞期阶段之后发育所必须的，但是启动ZGA的转录因子在物种间的保守性很差。在果蝇胚胎发育中的，Zelda、GAGA因子GAF以及CLAMP对于ZGA是必不可少的【3-5】；在斑马鱼和青蛙中，Pou家族、Sox家族、Nanog因子对于ZGA是必不可少的【6】；而在哺乳动物中Oct4、Nfya、Yap1、Dux、Rarg、Dppa2和Dppa4与ZGA有关【7】。在但是敲除或基因敲除模型中，Dppa2和Dppa4并不是2细胞胚胎以外的进展所必需的。因此，哺乳动物合子基因组激活以及基本转录因子在很大程度上仍未可知。为了揭开哺乳动物中合子基因组激活的关键调控因子，德国马克斯普朗克生化研究所Kiku? Tachibana研究组在Science发表了题为Zygotic genome activation by the totipotency pioneer factor Nr5a2的研究论文，发现孤儿核受体Nr5a2会作为先锋因子（Pioneer factor）激活小鼠胚胎全基因组的表达以及具体的分子机制。

　　先锋因子是一类在体外部分基序（Motif）能够结合到核小体DNA上，在体内被募集到封闭的染色质上，通过多种机制诱导局部染色质打开的转录因子【8】。先锋因子在合子基因组激活过程中协同打开果蝇和斑马鱼的基因组，但是对于哺乳动物中ZGA的先锋转录因子还尚不清楚。作者们推测，调控合子基因组激活的转录因子基序富集于ZGA基因的顺式调控区域。为了定义与ZGA相关的基因，作者们比较了两个小鼠品系在卵母细胞到胚胎转变过程中的转录谱，发现其中有2508个ZGA基因显著上调，这两个品系共有的985个基因被称为ZGA核心基因。通过对基序的搜索，作者们发现了这些基因中能够被共同识别的6个基序，该特征基序富集在70%的核心和扩展ZGA基因（图1）。

　　图1 核心和扩展ZGA基因顺式调控区域富集基序

　　从这些富集基序中作者们发现了孤儿核受体Nr5a2结合基序、Esrrb结合基序以及核激素受体视黄酸受体Rarg结合基序。由于Rarg对于ZGA不是必须的，作者们将目光集中在了孤儿核受体Nr5a2以及Esrrb之上。为了评估Nr5a2和Esrrb是否为ZGA调控因子，作者们首先检测了两者的表达模式。两者都以转录本的形式存在于中期卵细胞和合子中，Nr5a2在2-细胞胚胎中高度表达。Nr5a2蛋白存在于卵母细胞中，并富集于合子和2-细胞胚胎的细胞核中。Esrrb蛋白则可在2细胞胚胎中检测到。由于Nr5a2蛋白先于ZGA存在，作者们将重点放在该转录因子作为合子基因表达的候选调控因子上。

　　为了确定Nr5a2是否具有与调节ZGA一致的早期胚胎功能，作者们检测Nr5a2干扰是否影响发育。通过施用Nr5a2特异性抑制剂SR1848，发现Nr5a2活性不仅在2细胞期之后而且在2-细胞期之前都是必需的。Nr5a2在6-36 小时的短暂抑制会导致随后2-细胞发育停滞。这些发现表明Nr5a2在ZGA以及随后的发育过程中发挥着关键作用。

　　为了检测ZGA全基因组，作者们对2-细胞胚胎进行了单胚胎RNA-seq。通过化学抑制Nr5a2表达会导致5,891个基因的下调，其中包括1,809个严格定义的ZGA基因，占据了全部ZGA基因中的72%。进一步地，为了确定Nr5a2是否结合在2-细胞期胚胎的ZGA基因调控区域，作者们进行了CUT&Tag实验， 发现Nr5a2结合在Nr5a2调节的基因的转录起始位点区域，直接控制ZGA基因的表达。另外，通过对于启动子区域以及增强子区域分类，作者们发现Nr5a2倾向于结合在增强子区域。

　　进一步地通过染色质可及性分析，作者们发现Nr5a2会直接促进染色质可及性的增加，帮助打开染色质，而这正是前文提到的先锋因子的作用。随后通过体外的实验，作者们也证实了Nr5a2以及Esrrb在体外能够结合核小体DNA。

　　图2 工作模型

　　总的来说，作者们的工作发现孤儿核受体Nr5a2可激活小鼠胚胎中高达72%的主要ZGA基因（图2）。基于全基因组结合谱、染色质可及性和体外核小体结合实验，作者们确认Nr5a2在小鼠胚胎中促进染色质开放，并作为先锋转录因子启动合子基因组激活。

　　原文链接：

　　http://doi.org/10.1126/science.abn7478

　　参考文献

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　　3. H. L. Liang, C.-Y. Nien, H.-Y. Liu, M. M. Metzstein, N. Kirov, C. Rushlow, The zincfinger protein Zelda is a key activator of the early zygotic genome in Drosophila. Nature456, 400–403 (2008). doi:10.1038/nature07388 Medline

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　　6. M. T. Lee, A. R. Bonneau, C. M. Takacs, A. A. Bazzini, K. R. DiVito, E. S. Fleming, A. J. Giraldez, Nanog, Pou5f1 and SoxB1 activate zygotic gene expression during the maternal-to-zygotic transition. Nature503, 360–364 (2013). doi:10.1038/nature12632 Medline

　　7. F. Lu, Y. Liu, A. Inoue, T. Suzuki, K. Zhao, Y. Zhang, Establishing Chromatin Regulatory Landscape during Mouse Preimplantation Development. Cell165, 1375–1388 (2016). doi:10.1016/j.cell.2016.05.050 Medline

　　8. M. Iwafuchi-Doi, K. S. Zaret, Pioneer transcription factors in cell reprogramming. Genes Dev. 28, 2679–2692 (2014). doi:10.1101/gad.253443.114 Medline

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