生命學(xué)院頡偉課題組在《自然》發(fā)文 揭示哺乳動物合子基因組激活過程中RNA聚合酶參與轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控機理
2020年10月28日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉研究組在《自然》期刊上發(fā)表題為《RNA聚合酶II在早期胚胎合子基因組激活過程中的動態(tài)變化》（The landscape of RNA Pol II binding reveals a step-wise transition during ZGA）的研究論文，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(xiàn)基因組激活的過程。該發(fā)現(xiàn)不僅有助于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(xué)事件的基本機制，也為早期胚胎發(fā)育相關(guān)疾病與輔助生殖相關(guān)研究提供了重要的理論基礎(chǔ)。
合子基因組是如何激活的是發(fā)育生物學(xué)中重要的科學(xué)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于轉(zhuǎn)錄沉默狀態(tài)。受精后，基因組仍然在一段時間內(nèi)保持沉默，而在受精卵分裂到一定時期后（比如小鼠在2細胞晚期，人在8細胞時期），基因組迅速激活并完成，同時母源積累的RNA逐漸降解，最終完成從母源轉(zhuǎn)錄組向合子轉(zhuǎn)錄組的轉(zhuǎn)變。合子基因組的激活通常經(jīng)歷兩個階段，即初級ZGA（minor ZGA）與主要ZGA（major ZGA）。在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中，初級ZGA起始于在一細胞中晚期，主要轉(zhuǎn)錄一小部分基因和一些重復(fù)序列。后來的研究表明基因組中還大范圍存在微弱的轉(zhuǎn)錄活性，并產(chǎn)生一些沒有正常PolyA加尾和剪切的低水平轉(zhuǎn)錄本。主要ZGA則發(fā)生在二細胞晚期，表征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(fā)生，會引起合子基因不能正常激活，以及胚胎發(fā)育阻滯在二細胞階段。ZGA為什么不在受精后立即開始，而需要等待一段時間？初級ZGA為什么對胚胎發(fā)育重要？合子基因組激活是如何發(fā)生的？由于早期胚胎實驗材料有限，這些重要的生物學(xué)問題一直沒有被很好地回答。
RNA聚合酶II（Pol II）是轉(zhuǎn)錄活動的關(guān)鍵元件。但由于胚胎樣品數(shù)量稀少，無法使用傳統(tǒng)ChIP-seq來檢測其在染色質(zhì)上的分布。在該研究中，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉課題組與諾唯贊生物（Vazyme Biotech）合作，開發(fā)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，實現(xiàn)了在少量細胞水平上進行Pol II的檢測，并利用該技術(shù)系統(tǒng)檢測了小鼠卵母細胞與早期胚胎發(fā)育過程中Pol II染色質(zhì)結(jié)合的動態(tài)過程。研究人員發(fā)現(xiàn)，在受精后，Pol II采用了“三步走” 的模式來參與基因組激活。1）起始結(jié)合 (loading)：Pol II在成熟卵母細胞中開始脫離染色質(zhì)。在受精卵后期重新結(jié)合在富含CG序列的啟動子區(qū)域以及部分處于開放染色質(zhì)狀態(tài)的遠端區(qū)域。此外，Pol II結(jié)合位點與親本遺傳的表觀基因組部分特征相關(guān)。比如Pol II結(jié)合與DNA甲基化呈現(xiàn)負相關(guān)性。去除母源DNA甲基化能夠?qū)е赂嗟腜ol II結(jié)合，提示母源表觀遺傳修飾能夠部分影響Pol II結(jié)合。2）預(yù)配置 (pre-configuration)：受精卵進入二細胞早期，Pol II開始主動結(jié)合到ZGA基因啟動子，為即將開始的合子基因轉(zhuǎn)錄準備。這個過程在基因組激活前就已經(jīng)開始發(fā)生，研究人員命名為預(yù)配置（pre-configuration）。3）起始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄。
這些研究可能很好地解釋了為什么ZGA不會受精后立即發(fā)生。由于受精后表觀遺傳重編程正在發(fā)生，轉(zhuǎn)錄機器（比如Pol II）起始的結(jié)合基因并不都是最終需要轉(zhuǎn)錄的基因。因此，ZGA需要等待染色質(zhì)和轉(zhuǎn)錄機器的成熟并最終同步發(fā)生。那么初級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(zhuǎn)錄延伸，而允許其在主要ZGA時轉(zhuǎn)錄延伸，研究人員發(fā)現(xiàn)Pol II能夠發(fā)生起始結(jié)合，但不能發(fā)生預(yù)配置的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致其即不能正常脫離起始結(jié)合區(qū)域以及有效結(jié)合到ZGA基因區(qū)，進而導(dǎo)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(fā)育基因）的異常表達。這些結(jié)果表明，初級ZGA對Pol II從起始結(jié)合到預(yù)配置的轉(zhuǎn)變非常重要，從而調(diào)控合子基因組激活。最后，初級ZGA是如何調(diào)控Pol II從起始結(jié)合到預(yù)配置的轉(zhuǎn)變呢？研究人員猜測可能由于Pol II的在染色質(zhì)上的轉(zhuǎn)錄活性或初級ZGA產(chǎn)物可以促進或幫助其穩(wěn)定結(jié)合在合子基因啟動子，并形成正反饋機制。綜上所述，該研究系統(tǒng)地探索了早期胚胎發(fā)育過程中合子基因組激活發(fā)生過程中的Pol II參與啟動基因轉(zhuǎn)錄的模式，揭示了初級ZGA在Pol II “三步走”和主要ZGA（major ZGA）發(fā)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(fā)育機理奠定了理論基礎(chǔ)。
RNA聚合酶II 參與小鼠胚胎中合子基因組激活的調(diào)控模式
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉教授為本文通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后劉伯峰、徐倩華、王秋軍為本文共同第一作者。合作機構(gòu)有南京諾唯贊生物科技股份有限公司（Vazyme Biotech），馮速、聶俊偉等人參與共同研究。合作實驗室包括清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院那潔課題組，中國科學(xué)院生物物理研究所俞洋課題組。清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉課題組博士生賴方秾、那潔課題組博士生王培哲也在該課題中做出重要貢獻。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家科技部重點研發(fā)計劃、北京市科技計劃、清華北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所國際研究學(xué)者（HHMI International Research Scholar）的經(jīng)費支持。劉伯峰博士獲得了清華大學(xué)水木學(xué)者計劃支持，徐倩華和王秋軍博士獲得了清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后基金的支持。該研究也得到了清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)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/s41586-020-2847-y
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