高紹榮教授課題組與楊鵬教授課題組合作在Cell Research雜志在線發(fā)表論文，解析了Dux在早期胚胎發(fā)育胚胎基因組激活中的作用機(jī)制
2019年10月7日，同濟(jì)大學(xué)高紹榮教授課題組與楊鵬教授課題組合作在Cell Research雜志上在線發(fā)表了題為“Precise temporal regulation of Dux is important for embryo development“的文章。
合子基因組激活（zygotic genome activation, ZGA）是受精卵獲得全能性的必要條件之一，但是由于哺乳動(dòng)物早期胚胎數(shù)量少的限制，ZGA過程的關(guān)鍵因子及具體調(diào)控機(jī)制還不清楚。近來，三個(gè)課題組在Nature Genetics 同時(shí)發(fā)文三報(bào)導(dǎo)了Dux/DUX4轉(zhuǎn)錄蛋白可能是激活小鼠ZGA和人ZGA的關(guān)鍵因子。這三篇研究論文主要發(fā)現(xiàn)在肌肉細(xì)胞或ES細(xì)胞中過表達(dá)Dux/DUX4會(huì)激活一部分ZGA基因，但是Dux在體內(nèi)胚胎發(fā)育中的作用還不清楚。
該論文對(duì)Dux在早期胚胎中的具體作用做了全面研究。研究通過設(shè)計(jì)直接靶向所有Dux重復(fù)序列區(qū)域的sgRNA得到的Dux敲除小鼠與近期張毅實(shí)驗(yàn)室及Didier Trono課題組報(bào)導(dǎo)的Dux敲除小鼠表型一致。由于Dux在早期2-細(xì)胞胚胎瞬時(shí)表達(dá)及Dux敲除胚胎的發(fā)育走向不同，該團(tuán)隊(duì)通嚴(yán)格的單細(xì)胞RNA測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，與正常胚胎相比，Dux敲除胚胎在2-細(xì)胞的早中晚三個(gè)時(shí)期都表現(xiàn)出MERVL和一定數(shù)量ZGA基因的表達(dá)量下降。但是這些在Dux敲除2-細(xì)胞胚胎早期和中期下降的ZGA基因在2-細(xì)胞晚期都達(dá)到了與正常胚胎相當(dāng)?shù)谋磉_(dá)量；Dux敲除晚期2-細(xì)胞胚胎中的部分ZGA基因與正常胚胎相比表達(dá)量較低，但是與2-細(xì)胞胚胎早期相比表達(dá)量是上升的，這一現(xiàn)象與近期張毅課題組發(fā)表在Nature Genetics的結(jié)果是一致的。這些結(jié)果說明，在Dux缺失的胚胎中，一些ZGA基因的激活是延遲的，Dux在早期胚胎發(fā)育中起到增強(qiáng)ZGA的作用而不是根據(jù)之前體外研究結(jié)果推測的起始ZGA的作用。由于其他因子的存在，ZGA在Dux敲除2-細(xì)胞胚胎晚期仍然是正常發(fā)生的，因此Dux敲除胚胎要么正常發(fā)育出生要么死亡而表現(xiàn)出的產(chǎn)仔數(shù)減少的表型可能決定于其他因子的表達(dá)劑量閾值效應(yīng)。
該團(tuán)隊(duì)還在正常胚胎的2-細(xì)胞晚期及4-細(xì)胞時(shí)期注射mRNA來延長Dux在體內(nèi)的表達(dá)，他們發(fā)現(xiàn)Dux確實(shí)可以在胚胎中增強(qiáng)ZGA基因及MERVL的表達(dá)，這與體外在ES細(xì)胞中過表達(dá)Dux是一致的，但是延長Dux表達(dá)的卵裂球在分裂一次后停滯發(fā)育并最終死亡。他們還發(fā)現(xiàn)外源注射的Dux在胚胎中會(huì)被迅速降解，這與內(nèi)源Dux瞬時(shí)表達(dá)的現(xiàn)象一致。如果在胚胎1-細(xì)胞時(shí)期注射，Dux會(huì)被更加快速的降解從而不影響胚胎的發(fā)育，這更近一步的說明了Dux及時(shí)降解這一事件在早期胚胎發(fā)育過程中的重要性。但是無論內(nèi)源還是外源的Dux mRNA及蛋白在胚胎中是如何被快速降解的還不清楚。
綜上，本文通過體內(nèi)的敲除和過表達(dá)實(shí)驗(yàn)證明Dux在2-細(xì)胞胚胎早期起到增強(qiáng)而不是起始ZGA的作用，當(dāng)Dux缺失時(shí)，替代因子的劑量效應(yīng)可能導(dǎo)致了Dux敲除胚胎的發(fā)育不同走向，而Dux在短暫的發(fā)揮作用之后，必須及時(shí)被降解，Dux的延長表達(dá)會(huì)損害胚胎的正常發(fā)育，Dux mRNA及蛋白的快速降解途徑及機(jī)制尚不清楚。
同濟(jì)大學(xué)2016級(jí)直博生郭明岳和助理研究員張艷平為本文共同第一作者。本文的其他作者還包括高紹榮教授實(shí)驗(yàn)室的博士生周建鋒、博士生畢焱、技術(shù)員寇曉晨和趙艷紅、博士生李延鶴、博士生涂志奮、博士生劉奎升、碩士生林嘉明和楊鵬教授實(shí)驗(yàn)室的碩士生徐君琴和徐策。高紹榮教授，王譯萱教授及楊鵬教授為本文共同通訊作者。
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