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Science|全能性先锋因子Nr5a2促进合子基因组激活

为了揭开哺乳动物中合子基因组激活的关键调控因子,德国马克斯普朗克生化研究所Kikuë Tachibana研究组在Science发表了题为Zygotic genome activation by the totipotency pioneer factor Nr5a2的研究论文,发现孤儿核受体Nr5a2会作为先锋因子(Pioneer factor)激活小鼠胚胎全基因组的表达以及具体的分子机制。


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先锋因子是一类在体外部分基序(Motif)能够结合到核小体DNA上,在体内被募集到封闭的染色质上,通过多种机制诱导局部染色质打开的转录因子【8】。先锋因子在合子基因组激活过程中协同打开果蝇和斑马鱼的基因组,但是对于哺乳动物中ZGA的先锋转录因子还尚不清楚。作者们推测,调控合子基因组激活的转录因子基序富集于ZGA基因的顺式调控区域。为了定义与ZGA相关的基因,作者们比较了两个小鼠品系在卵母细胞到胚胎转变过程中的转录谱,发现其中有2508个ZGA基因显著上调,这两个品系共有的985个基因被称为ZGA核心基因。通过对基序的搜索,作者们发现了这些基因中能够被共同识别的6个基序,该特征基序富集在70%的核心和扩展ZGA基因图1)

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图1 核心和扩展ZGA基因顺式调控区域富集基序

从这些富集基序中作者们发现了孤儿核受体Nr5a2结合基序、Esrrb结合基序以及核激素受体视黄酸受体Rarg结合基序。由于Rarg对于ZGA不是必须的,作者们将目光集中在了孤儿核受体Nr5a2以及Esrrb之上。为了评估Nr5a2和Esrrb是否为ZGA调控因子,作者们首先检测了两者的表达模式。两者都以转录本的形式存在于中期卵细胞和合子中,Nr5a2在2-细胞胚胎中高度表达。Nr5a2蛋白存在于卵母细胞中,并富集于合子和2-细胞胚胎的细胞核中。Esrrb蛋白则可在2细胞胚胎中检测到。由于Nr5a2蛋白先于ZGA存在,作者们将重点放在该转录因子作为合子基因表达的候选调控因子上。

为了确定Nr5a2是否具有与调节ZGA一致的早期胚胎功能,作者们检测Nr5a2干扰是否影响发育。通过施用Nr5a2特异性抑制剂SR1848,发现Nr5a2活性不仅在2细胞期之后而且在2-细胞期之前都是必需的。Nr5a2在6-36 小时的短暂抑制会导致随后2-细胞发育停滞。这些发现表明Nr5a2在ZGA以及随后的发育过程中发挥着关键作用。

为了检测ZGA全基因组,作者们对2-细胞胚胎进行了单胚胎RNA-seq。通过化学抑制Nr5a2表达会导致5,891个基因的下调,其中包括1,809个严格定义的ZGA基因,占据了全部ZGA基因中的72%。进一步地,为了确定Nr5a2是否结合在2-细胞期胚胎的ZGA基因调控区域,作者们进行了CUT&Tag实验, 发现Nr5a2结合在Nr5a2调节的基因的转录起始位点区域,直接控制ZGA基因的表达。另外,通过对于启动子区域以及增强子区域分类,作者们发现Nr5a2倾向于结合在增强子区域。

进一步地通过染色质可及性分析,作者们发现Nr5a2会直接促进染色质可及性的增加,帮助打开染色质,而这正是前文提到的先锋因子的作用。随后通过体外的实验,作者们也证实了Nr5a2以及Esrrb在体外能够结合核小体DNA。

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图2 工作模型

总的来说,作者们的工作发现孤儿核受体Nr5a2可激活小鼠胚胎中高达72%的主要ZGA基因(图2)。基于全基因组结合谱、染色质可及性和体外核小体结合实验,作者们确认Nr5a2在小鼠胚胎中促进染色质开放,并作为先锋转录因子启动合子基因组激活。

原文链接:

http://doi.org/10.1126/science.abn7478


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