科研进展

高绍荣教授课题组与杨鹏教授课题组合作在Cell Research杂志在线发表论文,解析了Dux在早期胚胎发育胚胎基因组激活中的作用机制

发布时间:2019-10-09  

2019107日,同济大学高绍荣教授课题组与杨鹏教授课题组合作在Cell Research杂志上在线发表了题为“Precise temporal regulation of Dux is important for embryo development“的文章。

合子基因组激活(zygotic genome activation, ZGA)是受精卵获得全能性的必要条件之一,但是由于哺乳动物早期胚胎数量少的限制,ZGA过程的关键因子及具体调控机制还不清楚。近来,三个课题组在Nature Genetics 同时发文三报导了Dux/DUX4转录蛋白可能是激活小鼠ZGA和人ZGA的关键因子。这三篇研究论文主要发现在肌肉细胞或ES细胞中过表达Dux/DUX4会激活一部分ZGA基因,但是Dux在体内胚胎发育中的作用还不清楚。

该论文对Dux在早期胚胎中的具体作用做了全面研究。研究通过设计直接靶向所有Dux重复序列区域的sgRNA得到的Dux敲除小鼠与近期张毅实验室及Didier Trono课题组报导的Dux敲除小鼠表型一致。由于Dux在早期2-细胞胚胎瞬时表达及Dux敲除胚胎的发育走向不同,该团队通严格的单细胞RNA测序技术发现,与正常胚胎相比,Dux敲除胚胎在2-细胞的早中晚三个时期都表现出MERVL和一定数量ZGA基因的表达量下降。但是这些在Dux敲除2-细胞胚胎早期和中期下降的ZGA基因在2-细胞晚期都达到了与正常胚胎相当的表达量;Dux敲除晚期2-细胞胚胎中的部分ZGA基因与正常胚胎相比表达量较低,但是与2-细胞胚胎早期相比表达量是上升的,这一现象与近期张毅课题组发表在Nature Genetics的结果是一致的。这些结果说明,在Dux缺失的胚胎中,一些ZGA基因的激活是延迟的,Dux在早期胚胎发育中起到增强ZGA的作用而不是根据之前体外研究结果推测的起始ZGA的作用。由于其他因子的存在,ZGADux敲除2-细胞胚胎晚期仍然是正常发生的,因此Dux敲除胚胎要么正常发育出生要么死亡而表现出的产仔数减少的表型可能决定于其他因子的表达剂量阈值效应。

   该团队还在正常胚胎的2-细胞晚期及4-细胞时期注射mRNA来延长Dux在体内的表达,他们发现Dux确实可以在胚胎中增强ZGA基因及MERVL的表达,这与体外在ES细胞中过表达Dux是一致的,但是延长Dux表达的卵裂球在分裂一次后停滞发育并最终死亡。他们还发现外源注射的Dux在胚胎中会被迅速降解,这与内源Dux瞬时表达的现象一致。如果在胚胎1-细胞时期注射,Dux会被更加快速的降解从而不影响胚胎的发育,这更近一步的说明了Dux及时降解这一事件在早期胚胎发育过程中的重要性。但是无论内源还是外源的Dux mRNA及蛋白在胚胎中是如何被快速降解的还不清楚。

综上,本文通过体内的敲除和过表达实验证明Dux2-细胞胚胎早期起到增强而不是起始ZGA的作用,当Dux缺失时,替代因子的剂量效应可能导致了Dux敲除胚胎的发育不同走向,而Dux在短暂的发挥作用之后,必须及时被降解,Dux的延长表达会损害胚胎的正常发育,Dux mRNA及蛋白的快速降解途径及机制尚不清楚。

同济大学2016级直博生郭明岳和助理研究员张艳平为本文共同第一作者。本文的其他作者还包括高绍荣教授实验室的博士生周建锋、博士生毕焱、技术员寇晓晨和赵艳红、博士生李延鹤、博士生涂志奋、博士生刘奎升、硕士生林嘉明和杨鹏教授实验室的硕士生徐君琴和徐策。高绍荣教授,王译萱教授及杨鹏教授为本文共同通讯作者。


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