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题目：OBOX regulates murine zygotic genome activation and early development
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2023年7月17日
通讯作者单位：清华大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06428-3
主要内容：
基因转录的激活在早期胚胎中受到精确调控。现在，关键转录因子的鉴定显示了小鼠的转录机制是如何在正确的时间被引导到正确的位置的。
受精时，动物基因组处于非活性状态，发育的最初阶段由储存在卵子中的原有蛋白质和 RNA 转录物驱动。随着受精卵分裂成两个细胞，发育控制权逐渐移交给胚胎。先前存在的 RNA（称为母体负载 RNA）被降解，胚胎基因组（称为子代基因组）被激活。Ji 等人 在《自然》（Nature）杂志上撰文，描述了对参与启动小鼠子代转录程序的转录因子家族的鉴定，并提供证据证明这些因子在将转录机制定向到正确基因方面发挥作用。
在特定时间激活特定基因对正常发育至关重要。然而，负责转录的 RNA 聚合酶 II（RNA pol II）通常缺乏识别需要转录的基因的内在能力。相反，转录因子会与称为启动子和增强子（可调节特定基因的表达）序列中的 DNA 元结合，并将 RNA pol II 招募到这些位点，从而引导基因的表达。
在苍蝇和鱼类中已经发现了参与子代基因组激活（ZGA）的关键转录因子。然而，在哺乳动物中，这些转录因子长期以来一直难以捉摸。有报道称转录因子 DUX 参与了小鼠的 ZGA，但由于 DUX 并非胚胎发育所必需，因此其相关性一直存在争议。
确定可能在 ZGA 中发挥作用的转录因子的一种方法是询问哪些蛋白质在受精卵中大量产生。这种方法基于这样一种假设，即任何参与 ZGA 的因子都应该是母源的，随时可以发挥作用。另一种方法是在早期胚胎中被激活的基因启动子和增强子中寻找特定的 DNA 序列，并询问哪些转录因子能与这些序列结合。Ji 等人综合使用了这些方法，确定了 OBOX 转录因子家族有望参与小鼠 ZGA 的研究。OBOX 家族包括八个基因（Obox1-8）。
在小鼠胚胎中，ZGA 始于单细胞阶段，转录过程中会有一个小波段，其中有几个基因被激活。随后是两细胞后期的大转录波，约有 1,000 个基因被激活。小转录波对大转录波和发育至关重要。Ji 等人的研究表明，敲除八个 Obox 基因中的六个（Obox1、2、3、4、5 和 7）会影响小波和大波。胚胎在两细胞或四细胞阶段停止发育。
六个相关的 Obox 基因在早期胚胎中的表达时间不同：有些是母性表达，有些是子性表达。值得注意的是，恢复其中任何一类基因的表达都能恢复发育进程和转录。这表明，不同的 Obox 基因可以相互补偿（至少部分补偿），并反驳了参与基因组激活的因子应由母体负载的假设。
Obox4 在这方面比较突出，因为 Ji 及其同事发现，恢复 Obox4 的表达并不能弥补其他基因的缺失。这表明，OBOX4 蛋白可能具有不同于其他家族成员的功能，这与其独特的蛋白质序列是一致的。去年发布的一份预印本也发现，小鼠 ZGA 需要 Obox4，但只有在缺乏 Dux 的情况下才需要。DUX 和 OBOX4 可激活小波基因，同时耗尽它们会导致发育停滞。因此，DUX和OBOX4在小鼠ZGA过程中可以相互补偿，这也解释了为什么之前发现DUX可以调节小波基因的转录，但却不是小鼠存活所必需的。
Ji 及其同事的工作中最复杂的部分也许是他们对 OBOX 因子启动主波的机制的分析。RNA pol II 必须加载到基因启动子上才能激活转录。如果启动子富含胞嘧啶和鸟嘌呤碱基（因此被称为富含CG碱基），RNA pol II似乎就能与之结合，而无需基因特异性转录因子--事实上，在单细胞阶段，RNA pol II就已被加载到此类启动子上。然而，在缺乏 CG 的启动子上，则需要序列特异性转录因子来招募 RNA pol II。Ji 等人发现，OBOX 蛋白能特异性识别并结合到缺乏 CG 的 ZGA 基因的调控序列上，从而招募 RNA pol II 并激活主波基因的转录（图 1）。
有趣的是，在胚胎的单细胞阶段，RNA pol II 与一些富含 CG 的启动子结合，但这些基因在 ZGA 期间并没有被激活。据此，RNA pol II 在两细胞阶段通常不再与这些启动子结合。Ji 及其合作者的研究表明，在没有 OBOX 蛋白的情况下，RNA pol II 会异常地保留在这些启动子上。这表明，RNA pol II 被招募到 OBOX 目标基因上会导致 RNA pol II 从（富含 CG 的）非 ZGA 基因转移到（贫含 CG 的）ZGA 基因上。因此，OBOX 蛋白不仅需要在基因组激活过程中激活转录，还需要防止异常转录。
早期胚胎的非活化基因组包装严密，因此基本上无法与转录因子或其他蛋白质结合。要激活基因组，就必须让 DNA 能够被接触到。在鱼类和蝇类胚胎中，参与 ZGA 的转录因子是先驱因子，即它们与无法进入的 DNA 结合，提高可进入性并促进其他因子的招募。OBOX 蛋白本身是否具有先驱因子的所有特征仍有待研究，不过有迹象表明它们可能具有这些特征，因为与对照组相比，Obox 突变体胚胎中 DNA 的可及性较低。去年，蛋白质 Nr5a2 被发现是一种真正的先驱因子，它影响了小鼠 ZGA 期间许多基因的转录。OBOX 蛋白、Nr5a2 蛋白和 DUX 蛋白可能与其他尚未发现的因子结合在一起，共同提高 DNA 的可及性，并将 RNA pol II 招募到特定基因上。
人类体外受精的一个障碍是，约 40% 的胚胎在 ZGA 期间停止发育。虽然 Obox 基因是啮齿类动物特有的，但人类基因组也进化出了属于同一类转录因子的一系列基因。目前的研究为了解这些转录因子是否以及如何启动人类发育程序铺平了道路。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06428-3
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