Cell Res | 清华大学颉伟团队发现全能性胚胎的关键新调节因子

合子基因组激活(ZGA)标志着一个多能胚胎的胚胎程序的开始，它产生内细胞团(ICM)，多能外胚层产生，胚外滋养外胚层产生。然而，ZGA如何与哺乳动物胚胎的第一次谱系分离联系起来仍然是一个谜。

2023年11月7日，清华大学颉伟团队在Cell Research（IF=44）在线发表题为“NR5A2 connects zygotic genome activation to the first lineage segregation in totipotent embryos”的研究论文，该研究报告了核受体(NR)转录因子(TFs)的作用，发现其基序在小鼠胚胎的2细胞(2C)到8细胞(8C)阶段都是高度富集的。该研究发现NR5A2，一个被ZGA强烈诱导的NR TF，是这种连接所必需的。在Nr5a2基因敲除或敲除后，胚胎发育超过2C正常，合子基因组大部分被激活。然而，4 - 8C特异性基因激活严重受损，Nr5a2缺陷胚胎随后在桑葚胚期停滞。全基因组染色质结合分析表明，Nr5a2结合的顺式调控元件在2C和8C胚胎中对嵌入其结合基序的B1元件都有强烈富集。

在2C胚胎中，NR5A2不是打开其结合位点所必需的，但对于打开其8C特异性结合位点是必不可少的。这些8C特异性结合位点在囊胚和干细胞调控基因附近富集，并且通常与囊胚和胚胎干细胞(ESCs)中的主多能性TFs结合。重要的是，NR5A2调控了许多早期ICM基因中的关键多能基因Nanog和Pou5f1/Oct4，以及原始内胚层调控基因Gata6，以及8C阶段的关键滋养外胚层调控基因Tead4和Gata3。相比之下，主控多能性tf NANOG、SOX2和OCT4靶向小鼠ESCs的早期和晚期ICM基因。综上所述，这些数据确定NR5A2是全能性胚胎的关键调节因子，在小鼠早期发育中将ZGA与第一谱系分离连接起来。

受精后，胚胎的整体转录最初是沉默的经过几个细胞周期后，产生数千个合子转录本，称为合子基因组激活(ZGA)。ZGA可分为小波ZGA和大波ZGA，分别发生在小鼠1细胞中期(1C)和2细胞晚期(2C)到了8细胞(8C)阶段，卵裂球仍然可以在嵌合小鼠的所有谱系中发挥作用，并且在广义上被认为是全能性状态在8C晚期，小鼠胚胎开始致密并进一步分裂，最终产生两个细胞系：内细胞团(ICM)，包括多能细胞的建立者，以及滋养外胚层(TE)，发育到胚胎外胚层ICM随后在E4.5.9产生表达Nanog的多能外胚层和表达Gata6的原始内胚层(PrE)。

外胚层细胞是所有未来胚胎谱系的起源naïve多能性可以通过从ICM中衍生胚胎干细胞(ESCs)在体外获得。核心多能性转录因子(TFs) NANOG、SOX2和OCT4 (NSO)协同调节内在多能性转录网络。此外，ESCs还表达“辅助的”多能性调控因子，如ESRRB、KLF4、SALL4和TBX3，它们可以增强多能性网络尽管在理解多能性调控方面取得了显著进展，但ZGA如何与多能性建立联系至今仍然难以捉摸。

近年来，随着超灵敏染色质分析方法的发展，在早期哺乳动物胚胎中发现了染色质景观的重编程。这些染色质图谱还确定了在早期胚胎发生中表现出高度动态活性的假定调控元件，这些元件可能募集主TFs来调节转录网络。然而，这些TFs的特性以及它们如何与顺式调控元件相互作用来控制转录回路仍然知之甚少。值得注意的是，TFs可以从高通量测序(ATAC-seq)或DNA酶I超敏感位点测序鉴定的转座酶可及染色质检测中嵌入的调控元件中推断出来。

NR5A2将ZGA连接到早期开发中的第一个谱系规范（图源自Cell Research ）

核受体(NR)是结构保守的、依赖配体的TFs，在细胞增殖、代谢、干细胞多能性和内稳态等方面具有多种功能，例如，RARG被证明参与2C样细胞程序，尽管由于RAR家族的冗余，其缺陷本身与小鼠早期发育兼容。NR5A2被认为与磷脂酰肌醇结合，尽管小鼠NR5A2似乎在进化过程中失去了与配体结合的能力而变得不依赖于配体NR5A2也与多能性调控密切相关。

Nr5a2在早期胚胎发生中起重要作用，并调节外胚层中Pou5f1的表达。在小鼠ESCs (mESCs)中，NR5A2受典型Wnt/β-Catenin信号通路的调控，并直接控制多能性基因Oct4、Nanog和Tbx3。此外，NR5A2可以诱导外胚层干细胞进入基态多能状态，并在iPSC重编程中取代OCT4ESRRB和NR5A2在mESCs中作为OCT4和SOX2的辅助因子共同发挥重要作用。

该研究筛选了可能在ZGA后早期胚胎中发挥作用的NR TF，并确定NR5A2是小鼠早期发育的关键调节因子。Nr5a2的敲低(KD)或敲除(KO)会损害4-8C基因的激活，导致胚胎在桑葚胚期左右停滞。利用CUT&RUN，分析了NR5A2在2C和8C阶段的染色质占用情况，发现NR5A2直接激活了4-8C基因程序，包括一组关键的多能性基因。此外，它还打开了一组在8C阶段特异性激活的区域，这些区域由胚泡或mESC中的NSO等主多能TFs结合。这些数据表明，NR5A2通过将ZGA连接到第一个谱系规范程序，在调节早期胚胎发育中起着关键作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41422-023-00887-z

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！