NSMB | 清华大学颉伟团队揭示谱系因子在全能性胚胎中的双向激活功能

在第一次谱系分离过程中，哺乳动物全能性胚胎分化为内细胞团(ICM)和滋养外胚层(TE)。然而，转录因子(TF)如何在体内调节这种最早的细胞命运决定仍然是难以捉摸的，它们的调控组主要是从培养细胞中推断出来的。

2024年1月19日，清华大学颉伟研究团队在Nature Structural & Molecular Biology 在线发表题为“Lineage regulators TFAP2C and NR5A2 function as bipotency activators in totipotent embryos”的研究论文，该研究检测了早期小鼠胚胎的第一个谱系规范中的TF规则，跨越了起始前、起始、承诺和维持阶段。出乎意料的是，该研究发现滋养层调节剂TFAP2C在全能性(2到8个细胞)阶段结合并激活了早期TE和内细胞团(ICM)基因(“双效激活”)。Tfap2c缺乏导致8细胞胚胎早期ICM基因(包括Nanog、Nr5a2和Tdgf1)和早期TE基因(包括Tfeb和Itgb5)下调。

在囊胚中也发现了ICM和TE谱系的转录缺陷，并伴有ICM细胞凋亡增加和细胞数量减少。在加入滋养细胞后，TFAP2C离开早期ICM基因，但在囊胚中与CDX2结合，并与晚期TE基因结合，随后与胚胎外胚层(ExE)基因结合，在那里它与前ICM调节因子SOX2合作共占据。最后，在全能性胚胎中的“双能激活”也适用于多能性调节剂NR5A2，其在8细胞阶段类似地结合并激活ICM和TE谱系基因。这些数据揭示了一种独特的全能性转录回路，由高度适应性的谱系调节因子支撑。

哺乳动物胚胎从受精卵开始，经过几轮细胞分裂形成一个中空的球形结构，称为囊胚。第一个细胞命运决定发生在多能细胞逐渐分化为ICM和TE时，它们分别主要发育为身体和胎盘。这一过程受细胞极性、信号通路和主TF调控。在8细胞晚期(8C)，小鼠胚胎开始变得致密，建立细胞极性，形成顶端和底外侧结构域。在这个阶段的每个卵裂球仍然可以对嵌合小鼠的所有谱系做出贡献，并且在广义上被认为是全能性的。胚泡空化过程中，外极性细胞分化为TE细胞，在着床后形成ExE和胎盘外锥。内细胞产生外胚层和原始内胚层(PrE)。然而，这些TF如何调节第一谱系分离背后的分子回路仍然未知。

在第一次谱系分离发生之前，ICM和TE谱系的许多调节因子通常在早期胚胎阶段共同表达。这些对立谱系调节因子如何在全能卵裂球中起作用尚不清楚。TFAP2C是TF家族中激活增强子结合蛋白2 (activated enhancer binding protein 2, AP2)的成员，是最早在小鼠中表达的TE调控因子之一，先于CDX2和GATA3表达。TFAP2C存在于小鼠卵母细胞中，贯穿着床前发育，包括早期ICM和TE，直到囊胚晚期TE。合子TFAP2C的缺失导致胚胎在胚胎7.5天左右死亡(E7.5)。缺乏Tfap2c的胚胎可以形成囊胚并进行着床，但着床后出现严重的发育缺陷，包括组织紊乱。因此，滋养外胚层干细胞(TSCs)已经从缺乏Tfap2c的囊胚中获得，但这些不能维持。

Tfap2c的强制表达足以将胚胎干细胞(ES)转化为滋养细胞，这表明该TF可以在体外激活TE规范程序。然而，其他证据表明，在胚胎早期阶段，TFAP2C发挥着不同的作用。TFAP2C、TEAD4和RhoA的异位表达足以诱导4C期的早熟细胞极化，而它们的缺失阻止了16C期的极化。此外，在转座酶可及染色质测序(ATAC-seq)分析的基础上，TFAP2C基序在小鼠和人的8C胚胎和ICM中都是全局可及的。目前尚不清楚早期胚胎阶段的TFAP2C是否可能在滋养细胞谱系中起主导作用，或者在第一个谱系确定之前在全能卵裂球中发挥不同的作用。

文章模式图（图源自Nature Structural & Molecular Biology ）

NR5A2是一种核受体因子，与多能性的调控密切相关。它可以激活外表皮细胞中的Oct4(也称为Pou5f1)基因，并在诱导多能干细胞(iPS)重编程过程中取代Oct4。与ESRRB一起，NR5A2对于小鼠ES细胞的自我更新和多能性网络至关重要。有趣的是，NR5A2在2C-8C阶段高度表达，此时其基序也在可接近的染色质中强烈富集，在谱系分离和多能细胞出现之前。此外，敲除Nr5a2导致胚胎在桑葚胚期停滞，这表明它可能在胚胎发育中发挥更早的作用。了解TF在早期发育中的功能的一个主要障碍是缺乏其体内直接调控组的信息。在此，该研究使用CUT&RUN研究了几种关键谱系TF在植入前和植入后小鼠胚胎中的染色质结合。结合突变胚胎的分析，该研究旨在揭示体内全能性和第一次谱系分离的调控回路。

颉伟教授为本文的通讯作者，清华大学生命学院已毕业博士生李丽佳和赖方秾为共同第一作者。颉伟课题组科研助理刘玲，博士后卢绪坤，2019级博士生胡晓瑜以及博士后刘伯峰也在该课题中做出重要贡献。该课题得到了清华大学实验动物中心、生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台的大力协助和支持。本研究获得了国家自然科学基金会、国家科技部重点研发计划、清华-北京生命科学中心的经费支持。颉伟教授是HHMI国际研究学者和新基石研究员。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41594-023-01199-x

转自：“iNature”微信公众号

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