早期胚胎发育合子基因组激活调控

动物早期胚胎发育始于分化成熟的雌雄配子经受精后重编程为全能性合子。在胚胎发育的初期,合子基因组的转录水平处于静默状态,母源物质调控占据主导地位。随着胚胎发育的进行,母源物质会经历分阶段的降解,合子基因组开始逐渐激活转录,标志着早期胚胎发育从母源性调控向合子基因组调控的转变,也称为母源-合子转换(maternal-zygotic transition,MZT)。其中一个关键的转折性事件就是合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA),ZGA的正确发生对于早期胚胎发育和细胞命运决定至关重要。然而,目前对于ZGA的调控因子和具体的分子机制仍知之甚少。研究表明,ZGA在不同物种中存在较大差异,可能受到DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、染色质重塑以及ZGA相关因子等多种调控因素的影响。本文探讨了上述几种调控因素影响合子基因组激活的研究进展,对进一步研究早期胚胎ZGA的相关机制具有借鉴意义。

山羊合子基因组激活期基因差异表达的研究

本研究用mRNA差异显示技术对山羊体内发育和体外培养的8～16细胞期的胚胎基因差异表达进行研究。结果表明:8～16细胞期共检测到14条特异性表达的基因片段克隆测序,其中11条为体内发育胚胎特异性表达,3条为体外培养胚胎特异性表达。通过GenBank/Blast数据库同源性检索发现,3个基因片段在EST库中可以找到同源的表达标签,11个未见同源片段,是首次发现其在山羊植入前发育阶段表达。体内发育胚胎特异性表达的片段在合子型基因激活过程中起着重要作用,体外培养胚胎的这些基因不表达,是导致胚胎发育阻滞的原因。

EGCG促进合子基因组激活和多能性因子OCT4的表达

目的观察表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)对小鼠早胚体外发育、小鼠合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)以及多能性因子OCT4和SOX2表达的影响。方法收集昆明(Kunming,KM)小鼠1-细胞胚,以M16培养液为对照组,以培养液中添加不同浓度的EGCG为实验组,观察各组1-细胞胚体外发育情况;采用Real-time PCR技术检测体外发育至2-细胞胚内ZGA标志基因eIF1A、Zscan4d、MuERV-L、Hsp70.1和多能性因子基因Oct4、Sox2的mRNA表达水平;运用免疫荧光染色法检测OCT4和SOX2表达情况。结果添加EGCG显著提高各发育阶段(4-细胞胚、桑葚胚、囊胚)过渡率,上调2-细胞胚内MuERV-L、Hsp70.1、Oct4的mRNA表达水平,对eIF1A、Zscan4d、Sox2的mRNA表达量无明显影响,增强OCT4免疫荧光强度,对SOX2免疫荧光强度无明显影响。结论EGCG可能通过调节合子基因组的激活以及多能性因子的表达水平,促进小鼠早胚体外发育。

哺乳动物合子基因组激活过程中的染色质重塑

哺乳动物受精后,终末分化的卵子和精子结合并转变为具有全能性的受精卵,从而产生胚胎。胚胎发育最初由卵母细胞储存的基因产物指导,然后完成由母源到合子的过渡(maternal-to-zygotic transition,MZT)。母源mRNA逐渐被降解,合子基因组开始转录,合子的发育由自身调控。伴随着胚胎发育的进行,表观基因组经历了剧烈的重编程,表观遗传修饰在胚胎发育过程起到重要调控作用。其中,染色质重塑是指开放(转录激活)和关闭(转录抑制或沉默)染色质结构之间的动态变化。核小体在染色质上的不均匀分布导致基因组不同区域的松散程度不同,染色质可及性高的区域比较松散,易与转录因子结合,通常是重要的调控区域。染色质重塑通过调节DNA结合蛋白的基因组可及性,参与合子基因表达的调控,在合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)过程中起到重要作用。作者讨论了伴随ZGA的整体染色质结构(和局部染色质可及性)的变化,以及它们在ZGA中的作用,为深入理解合子基因表达的调控机制提供参考。

先锋转录因子DUX4在人类胚胎合子基因组激活中的作用

总结近几年人类DUX4(double homeobox 4,DUX4)基因在细胞模型和早期胚胎基因组激活中的研究进展,发现先锋转录因子可与靶标基因的特定序列结合,诱导早期胚胎特异性染色质开放性建立及合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA),在母型-合子转换中发挥关键作用。探究先锋转录因子在人类早期胚胎ZGA中的作用,DUX4蛋白参与启动其他合子基因组激活基因的表达,可能是人类合子基因组激活的先锋转录因子,并对未来研究方向进行展望。

母源-合子转换期中合子基因组激活的研究进展

母源-合子转换(Maternal-to-Zygotic Transition,MZT)是早期胚胎发育过程中母体产物到新生合子基因组发育控制的关键,包括母体成分(mRNAs和蛋白质)降解和合子基因组激活(Zygotic Genome Activation,ZGA)。虽然这两个阶段的基因调控模式不同,但在MZT中这些变化精确控制和高度关联。本文综述了ZGA过程中细胞周期、染色质和转录因子调控胚胎基因表达的特定模式,以及ZGA翻译后调控的变化,阐明了ZGA在MZT过程中的分子调控机制,为进一步研究MZT中基因表达的大规模变化提供理论基础。

哺乳动物合子基因组激活调控的研究进展

合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)异常是哺乳动物早期胚胎发育阻滞的主要原因之一,其发生对早期胚胎发育和全能性的建立有着重要的意义。研究发现ZGA发生与DNA甲基化、组蛋白甲基化和非编码RNA等表观遗传及转录因子有关。笔者主要对以上因素调控哺乳动物ZGA的机制予以综述,为深入理解哺乳动物早期胚胎发育提供参考。

斑马鱼合子基因组激活过程中表观遗传调控的研究进展

合子基因组激活作为斑马鱼胚胎发育早期的关键转折事件,其发生对早期胚胎发育和全能性的形成有着重要的意义。研究发现,合子基因组激活在不同物种中发生的时间和持续的过程有着很大的差异,且有多种因素共同参与调控合子基因组的激活过程,其中表观遗传调控是最重要的因素之一。综述了斑马鱼合子基因组激活过程中表观遗传调控因素的研究进展,包括DNA甲基化、组蛋白修饰和核小体定位等,有助于深入理解合子基因组激活的发生过程。

雌激素受体α抑制剂MPP对小鼠合子型基因组激活的影响可能与S期启动相关

目的观察雌激素受体α(ERα)特异性抑制剂甲基哌啶吡唑(Methyl-Piperidino-Pyrazole,MPP)对小鼠早期胚胎发育的影响与合子型基因组激活(ZGA)发生的时间是否相关,并检测与小鼠ZGA密切相关的2-细胞胚DNA复制是否受MPP处理的影响,为进一步探讨ERα在小鼠ZGA过程中的作用机制提供实验基础。方法 1收集昆明小鼠1-细胞胚、2-细胞胚和4-细胞胚,以空白KSOM培养液(单纯型优化的胚胎培养基)为对照组,以KSOM中添加MPP为实验组;将各时间点收集的早胚培养3h后再移入新KSOM培养液中继续培养至囊胚阶段,并记录囊胚数;2收集昆明小鼠末期1-细胞胚,分别置于上述两组培养液中培养15h至2-细胞胚S期后期,用荧光显微镜技术检测2-细胞胚核像变化;Brd U标记法分析DNA复制情况。结果1于不同时间段经MPP 3h处理后,在1-细胞胚末期、2-细胞早期和2-细胞胚中后期,MPP处理对小鼠早胚发育具有显著的抑制作用,其阶段特异性影响与小鼠ZGA发生的时间一致。另外,MPP对2-细胞胚G1/S过渡期(36~39h)抑制明显,但是对S期中后期(39~42h)进程无显著影响。2与KSOM组相比,经MPP处理15h后,2-细胞胚核变圆;Brd U标记水平明显下降。结论MPP在小鼠早胚中的阶段性作用与ZGA有关;ERα可能通过促进S期启动来调控ZGA。

哺乳动物胚胎基因组表达起始的调控

哺乳动物受精后 ,早期胚胎缺乏转录活性 ,早期发育由母源性的转录产物所调节。合子基因组激活的时期因物种而异。合子基因组激活可分为 2个时期 :起始阶段低水平的表达和第 2阶段爆发式的表达。在小鼠 1 细胞期胚 ,雌原核无转录活性 ,但雄原核出现基因转录。在 2 细胞早、中期之前 ,小鼠特异性基因的表达不需要增强子的作用 ,其启动子没有受到抑制 ,但由于基本转录因子的浓度较低 ,基因转录活性不高。基因高水平的转录发生在小鼠 2 细胞后期 ,此时转录抑制建立 ,特异性基因的转录依赖于增强子的作用。

胚胎母源-合子转换期中的表观遗传调控

哺乳动物个体由终端分化的单倍体精子和卵子受精融合成的双倍体受精卵发育而来。在胚胎发育的初始阶段,合子基因组处于休眠状态,胚胎发育调控由卵母细胞内母源调控逐渐转换为合子基因组调控(Maternal-Zygotic Transition,MZT)。在此期间,随着母源物质的清除,合子基因组激活(Zygotic Genome Activation,ZGA),但调控MZT的具体分子机制还不清楚。最新研究表明,DNA甲基化、染色质重塑、组蛋白表观修饰、ncRNA在MZT和ZGA中发挥重要的作用。本文总结了上述4种表观修饰在动物植入前胚胎MZT中的生物学功能和特异的分子机制,对揭示动物胚胎MZT的调控机理有借鉴意义。

开启生命程序:合子基因组如何启动?

合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)是卵子受精后的第一个转录事件,标志着胚胎基因表达程序的启动.ZGA缺陷严重影响胚胎发育,甚至导致胚胎死亡.随着微量细胞测序技术和单细胞分析技术的快速发展,人们对ZGA的理解在近年来取得了长足进步.相关研究揭示了ZGA期间表观基因组、转录组、蛋白质组和代谢组的景观、重编程过程和相关机制.此外,ZGA的正常启动依赖多方面因素的协同调控.表观遗传重编程为ZGA及后续转录过程建立适宜的染色质环境,ZGA也影响表观遗传的重编程.ZGA也广泛受到RNA水平的调控,关键转录因子通过选择性激活基因表达驱动ZGA发生.本综述阐述了不同物种ZGA相关表观遗传重编程事件,ZGA相关RNA调控因子、核心ZGA转录因子的作用机制,以及ZGA期间转录组、蛋白质组、代谢组等多维度重编程景观.最后,我们针对ZGA过程中尚未解决的科学问题进行了深入探讨.

转录因子DUX在哺乳动物早期胚胎发育中的作用研究进展

在哺乳动物早期胚胎发育中,转录因子是必不可少的调控元件之一。多种转录因子调控卵母细胞和胚胎基因组特异性和时序性地表达,并保证卵母细胞和早期胚胎发育的正常进行。双同源盒(DUX)蛋白是在早期胚胎发生过程中调节重复元件表达的转录因子,DUX蛋白家族在早期胚胎发育过程中扮演着重要的角色,并为女性生殖与不孕相关疾病的诊断和治疗提供新的切入点和思路。本文就近年来关于转录因子DUX在哺乳动物早期胚胎发育中的作用研究进展做一综述。

sncRNAs调控植入前胚胎母源因子降解机制的研究进展

受精卵的早期卵裂由卵母细胞储存的母源因子主导。在母源-合子转换(maternal-to-zygotic transition,MZT)过程中,母源因子发生大规模降解,胚胎需要激活自身基因组来支持后续发育,这一过程也被称为合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)。但目前对于调控母源因子降解的分子机制尚不清楚。已有研究表明小分子非编码RNA(small non-coding RNA,sncRNA)[如微小RNA(microRNA)、与PIWI蛋白相互作用的RNA(piRNA)和小干扰RNA(siRNA)]可以靶向母源mRNA,在很多物种的合子基因组激活前后抑制其转录或者通过募集CCR4-NOT等脱腺苷酸化酶复合体缩短母源mRNA的多聚腺苷酸尾从而降解细胞质中的母源因子。结果表明sncRNAs通过调控胚胎母源因子的降解参与母源-合子转换机制。本文综述了sncRNAs在MZT过程中对母源因子清除起到的生物学作用,为深入了解早期胚胎的发育机制提供参考。

丙酮酸对猪早期胚胎发育的影响

在哺乳动物中,早期胚胎发育阻滞一般发生在胚胎由输卵管向子宫角转移的时期,此时输卵管液中的物质对早期胚胎发育尤为重要,如葡萄糖、乳糖、丙酮酸。丙酮酸是大多数能量物质在代谢过程中的中间产物,在抗氧化、间接调节信号等过程中都发挥着重要作用,并且是卵母细胞和合子能够直接利用的主要能量底物。此外,早期胚胎发育阻滞时期恰好是母源-合子基因过渡时期,此时发生的基因组重编程也离不开丙酮酸的参与。本文综述了丙酮酸对哺乳动物早期胚胎发育的影响,推测了丙酮酸在猪早期胚胎合子基因组激活中的作用。

AAPH诱导的氧化应激对小鼠早期胚胎发育的作用及机制研究

哺乳动物胚胎发育是一个受复杂信号通路严格调控的过程,同时受遗传和环境因素等多种因素影响.由体外培养环境破坏活性氧ROS平衡所引起的氧化应激反应被认为是影响体外胚胎发育的重要因素之一,但活性氧影响胚胎的机制仍有待研究.本研究首先观察了叠氮化合物2,2’-偶氮二(2-脒基丙烷)盐酸盐AAPH[2,2-Azobis(2-Amidinopropane)dihydrochloride]处理后对胚胎发育的影响,检测了胚胎的活性氧水平、线粒体膜电位和细胞凋亡情况,同时检测了合子基因组激活相关基因的表达变化,针对活性氧诱导剂AAPH影响小鼠早期胚胎发育的分子机制进行研究.结果表明,AAPH能够提高小鼠胚胎的活性氧水平,影响胚胎发育率,AAPH的作用呈现剂量依赖性,这种影响是通过降低线粒体的膜电位,进而促发细胞凋亡.同时,抑制合子基因组激活相关基因Zscan4d、eIF-1A、Hspa1b、H2afz的表达.本研究探讨了活性氧影响早期胚胎发育过程的机制,为哺乳动物体外受精培养体系的优化提供了依据.

ZSCAN4在早期胚胎及多能干细胞中的作用及调节机制

含有锌指和SCAN结构域的蛋白质4(zinc finger and SCAN domain containing 4,ZSCAN4)在2细胞期胚胎以及胚胎干细胞中作为DNA结合蛋白质特异性表达。ZSCAN4能够调控早期胚胎发育过程,在合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)期间通过促进DNA损伤修复和纠正染色体异常,以维持植入前胚胎的基因组和染色体完整性。在小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs)向2细胞样细胞转换期间,ZSCAN4与ATP依赖性染色质重塑因子相互作用,调节鼠内源性逆转录病毒L(murine endogenous retrovirus L,MERVL)增强子的活性,激活周边的2细胞期基因的表达,促进胚胎干细胞向2细胞样细胞的转变。ZSCAN4还能通过降低DNA甲基化水平同时介导异染色质沉默,并促使端粒重组和端粒延伸,保持基因组稳定性,进一步维持多能干细胞的无限自我更新能力和多能性,促进mESCs向胚胎2细胞样细胞转变。此外,ZSCAN4还能在重编程中重新激活早期胚胎基因,显著提高诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)的产生效率,降低iPSCs形成过程中的DNA损伤,并通过延长端粒保持基因组稳定性,从而促进无遗传缺陷和高质量iPSCs的生成。该文围绕ZSCAN4调控早期胚胎发育过程、介导多能干细胞的端粒延长以及在体细胞重编程中的作用等生物学功能展开论述,以期为早期胚胎发育、多能干细胞的维持以及重编程技术的优化提供参考。

多能性转录因子OCT4和SOX2在体外发育的小鼠2-细胞胚胎的表达与定位

为探讨多能性转录因子OCT4和SOX2在昆明小鼠(Mus musculus)2-细胞胚胎发育过程中与2-细胞胚胎阻滞发生的相关性,本研究应用实时荧光定量PCR技术检测了小鼠卵母细胞及在M16培养液中培养的不同发育阶段体外受精胚Oct4和Sox2基因的表达,并利用实时荧光定量PCR和免疫荧光技术比较了2-细胞胚、2-细胞阻滞胚和4-细胞胚的OCT4和SOX2的表达与定位。采用ANOVA对实验所得的数据进行分析,P<0.05被认为是具有显著性差异。研究结果显示,2-细胞胚只有24.8%发育成4-细胞胚,75.2%的2-细胞胚发生了阻滞。Sox2和Oct4的m RNA在MⅡ期卵母细胞、原核胚、2-细胞胚、4-细胞胚、桑椹胚和囊胚中都有表达。Oct4 m RNA的表达水平在4-细胞胚显著高于2-细胞胚和2-细胞阻滞胚(P<0.05),Sox2 m RNA的表达水平在2-细胞胚显著高于2-细胞阻滞胚和4-细胞胚(P<0.05),而后两者之间没有差异(P<0.05)。OCT4蛋白在2-细胞胚和4-细胞胚中与核共定位,但在2-细胞阻滞胚中弥散存在于胞质中。SOX2蛋白在以上3类胚胎中始终定位于细胞核。上述结果提示,转录因子OCT4和SOX2的表达和定位与小鼠2-细胞胚胎发育阻滞相关,母源性SOX2表达的维持对胚胎合子基因组激活(ZGA)的发生具有重要作用,母源性OCT4的异常定位可能影响了合子基因组激活相关基因的激活,而合子中Oct4的表达影响合子基因组激活后胚胎的发育。

TFIID在配子发生和早期胚胎发育过程中的作用

配子发生以及胚胎早期发育过程受严格且有序的基因表达调控。多种转录因子与靶基因结合,激活基因的时空特异性表达,实现受精卵全能性的获得,完成母型基因组转录调控向合子基因组转录调控的转变以及随后胚胎细胞的分化调节。研究表明,TFIID转录因子家族在这些关键阶段起重要作用,在基因转录调节的起始阶段,TFIID转录因子家族成员作为通用转录因子被招募到靶基因的启动子上,与其他转录因子共同形成转录前起始复合物,起始转录。该文总结了TFIID转录因子的结构、作用方式,以及在配子发生和早期胚胎发育中的调控作用。

人类早期胚胎发育过程中组蛋白修饰的调控

哺乳动物的生命起源于两个终末分化的生殖细胞的结合(受精),随即父母源的染色质发生剧烈且精确的表观遗传重编程,并形成具有全能性的胚胎.研究早期胚胎发育是理解物种延续和进化的重要途径,也为女性生殖健康和再生医学提供了重要理论依据.然而,由于高等哺乳动物早期胚胎的稀缺性和伦理问题,以及高通量表观修饰检测技术的限制,目前对于人类早期胚胎中的表观遗传重编程的研究还不全面.利用最近建立的超低起始量的高通量测序技术,我国科学家首次揭示了多种组蛋白修饰在人类早期胚胎发育过程中的动态变化和调控机制.本文主要对这几项最新的研究进展进行了总结,并对人类和小鼠早期胚胎中的组蛋白修饰重编程的保守性和物种特异性进行了讨论.