哺乳动物的卵子成熟和早期胚胎发育是一个高度复杂的过程，需要精确的基因调控和表观遗传调控。然而，其转录调控网络及相关元件目前还有待深入研究。增强子作为调控基因表达的重要元件能够帮助远程激活和调控基因表达。然而，由于实验材料的稀缺，增强子在哺乳动物卵子发生和早期胚胎发育过程中参与基因表达调控的机制目前鲜有研究。在小鼠等哺乳动物卵子及早期胚胎中，诸多表观基因组特征呈现出非经典模式，且在受精及着床前后经历了剧烈的重编程过程。有趣的是，基于报告基因的早期研究提示小鼠卵子及合子中可能缺乏增强子活性。然而，这与卵子和胚胎中高度活跃的转录似乎存在矛盾。那么在哺乳动物卵子发生和早期胚胎发育过程中，是否存在活跃的增强子？如果有，这些增强子是如何参与转录调控的？有哪些关键转录因子协同增强子在这个过程中调控基因表达？由于早期胚胎材料稀缺，这些问题一直是领域内的未解之谜。
2024年6月5日，金沙js4399首页生命学院颉伟研究组与南京医科大学李晶研究组通过紧密合作，在《自然-细胞生物学》（Nature Cell Biology）期刊上报道了题为“小鼠卵母细胞和早期胚胎增强子鉴定揭示TCF3/12为卵泡发生的关键调控因子”（Mapping putative enhancers in mouse oocytes and early embryos reveals TCF3/12 as key folliculogenesis regulators）的研究论文，揭示了活跃增强子在哺乳动物卵子发生和早期胚胎发育过程中参与转录调控的机制。该研究验证了小鼠卵子中活跃增强子的存在，揭示了卵子和早期胚胎发育过程中增强子不同于成体细胞和组织的独特属性，并鉴定了参与调控卵子发生过程中增强子的关键转录因子——TCF3和TCF12。
先前研究认为，小鼠成熟卵母细胞和受精后合子中缺乏增强子活性 (Lawinger et al., 1999; Majumder et al., 1997)。然而，卵子和早期胚胎的多项表观基因组研究（如开放染色质等）提示在该阶段可能存在大量活跃的调控元件。基因表达在卵子向胚胎的转换过程中，经历了从全基因组沉默到合子基因组激活的巨大变化。研究人员通过STAR ChIP-seq技术鉴定了活跃增强子的标志——组蛋白修饰H3K27ac，检测了从小鼠初级卵泡卵母细胞直到胚胎内细胞团（ICM）阶段的全基因组分布，并结合颉伟课题组前期发表的着床后胚胎的H3K27ac数据 (Xiang et al., 2020)，绘制了涵盖小鼠配子及着床前后胚胎16个阶段的H3K27ac标记的潜在活跃增强子分布动态图谱。在受精前后和着床前后，增强子网络经历了两次剧烈的重编程过程。与成体细胞组织中的增强子分布数据相比，研究发现卵子和着床前胚胎中的活跃增强子与成体细胞组织中有显著差异。尤其在成熟卵母细胞中，约50%的活跃增强子是卵子特异的，且这些特异增强子大量分布在基因密度较低的基因荒漠区域。在卵子和着床前胚胎中，大量活跃增强子也被组蛋白修饰H3K4me3标记，这与卵子和早期胚胎中低DNA甲基化相关。在受精前后，组蛋白乙酰化经历了全基因组抹除和在合子基因组激活（ZGA）相关的增强子的重建。而母源继承下来的组蛋白修饰H3K27me3则会抑制部分胚胎增强子的建立，特别是H3K27me3介导的印记基因附近的增强子。
研究人员进一步通过实验验证了卵子中活跃增强子的存在。首先，他们发现卵子中的部分增强子能够双向转录。同时，通过优化了增强子高通量检测方法STARR-seq使其能够应用于微量细胞，研究人员验证了具有H3K27ac双向转录标记的70个潜在增强子，其中64%为阳性。随后，他们采用增强子报告基因方法在卵子中进一步验证了这70个增强子中的7个，结果所有这些增强子均为阳性。全基因组分析显示，这些阳性增强子通常由H3K4me3和Pol II标记，并显著富集卵子关键转录因子的结合基序。增强子的另外一个特征是富含转录因子的结合序列。研究人员进一步研究了不同阶段增强子上相关转录因子结合序列，发现卵子和着床前后胚胎中的活跃增强子中转录因子序列发生了显著变化。研究人员在卵子中鉴定了两个在增强子上最为富集的关键转录因子TCF3和TCF12。敲除TCF3和TCF12会导致卵泡发育和卵子发育的严重缺陷，并使卵子转录组停滞在原始卵泡阶段，无法激活如Zp1/2/3等卵子发育关键基因。上述结果表明，卵子中存在活跃的增强子，这些增强子帮助鉴定出调控卵泡发生和卵子发育的关键转录因子TCF3和TCF12。
综上所述，研究人员鉴定了哺乳动物卵子到早期胚胎中活跃增强子网络，揭示了其不同于成体细胞的重要特征。他们通过实验验证了卵子中活跃增强子的存在，并以此鉴定了卵子中的关键转录因子TCF3和TCF12。综上所述，这项研究不仅揭示了卵子发生和早期胚胎中独特的增强子及相关转录因子调控网络，还为理解卵子发生及卵子胚胎转换过程中的转录调控提供了新的视角。
活跃增强子在卵子和早期胚胎中的分布示意图
金沙js4399首页颉伟教授和南京医科大学李晶教授为本文的通讯作者，金沙js4399首页生命学院博士后刘伯峰，南京医科大学副教授何元林，金沙js4399首页生命学院助理研究员吴小童，北京农学院副教授林自力，金沙js4399首页生命学院2019级博士生马婧为本文共同第一作者。合作实验室包括金沙js4399首页医学院那洁教授课题组和德国慕尼黑亥姆霍兹研究中心Maria Elena Torres-Padilla教授课题组。南京医科大学李晶教授课题组2022级博士生邱玥鑫，重庆医科大学教授向云龙，金沙js4399首页生命学院颉伟课题组2022级博士生孔凤也在该课题中做出重要贡献。该课题得到了金沙js4399首页实验动物中心，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。刘伯峰博士获得了金沙js4399首页水木学者计划和清华-北大生命科学联合中心博士后基金的支持。颉伟教授是HHMI国际研究学者和新基石研究员。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41556-024-01422-x
