轉(zhuǎn)錄因子DUX在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中的作用研究進(jìn)展

陳欣，楊菁

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心，湖北省輔助生殖與胚胎發(fā)育醫(yī)學(xué)臨床研究中心，武漢 430060)

哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育起始于配子受精后的受精卵，受精后基因表達(dá)的啟動(dòng)稱為合子基因組激活(zygotic gene activation，ZGA)[1]，它是卵母細(xì)胞過(guò)渡到胚胎的一部分，也是早期胚胎發(fā)育過(guò)程中重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。終端分化的精子和卵母細(xì)胞融合后形成全能性的受精卵，隨后來(lái)自父源和母源的基因組在表觀遺傳狀態(tài)上逐步趨向一致，最終重編程為相同的狀態(tài)[2]。這種重編程發(fā)生在受精卵細(xì)胞轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平，但是在早期胚胎發(fā)育時(shí)期轉(zhuǎn)錄反應(yīng)幾乎都是沉默的，直到合子基因組激活[3]，這種重編程對(duì)胚胎的早期發(fā)育起著至關(guān)重要的作用，一旦出現(xiàn)差錯(cuò)將會(huì)導(dǎo)致胚胎畸形或發(fā)生其他疾病甚至死亡[4]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子雙同源盒(double homeobox，DUX)家族蛋白是哺乳動(dòng)物合子基因組激活的關(guān)鍵誘導(dǎo)物，能夠調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物中的合子基因組活化[5]。本文對(duì)DUX在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中的作用研究進(jìn)展做一綜述。

一、早期胚胎發(fā)育的概述

了解植入前早期胚胎發(fā)育對(duì)輔助生殖技術(shù)(ART)和基于人類胚胎干細(xì)胞(hESC)療法的發(fā)展具有重要意義[6]。以往對(duì)于胚胎發(fā)育的研究重點(diǎn)是胚胎的形態(tài)學(xué)檢查和能夠改善體外胚胎培養(yǎng)的因素的鑒定，例如體外使人類卵母細(xì)胞受精、冷凍保存和解凍人類胚胎以及促進(jìn)人類胚泡形成所需的條件等[7]。然而，隨著先進(jìn)的成像技術(shù)和敏感的基因表達(dá)譜分析技術(shù)的發(fā)展，有研究開(kāi)始在細(xì)胞和分子分辨率上提供對(duì)哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育更清晰的理解。Xi等[8]利用免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)和定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)(qRT-PCR)對(duì)不同發(fā)育階段的小鼠卵母細(xì)胞和胚胎進(jìn)行研究，試圖發(fā)現(xiàn)利尿鈉肽受體2(NPR2)在小鼠卵母細(xì)胞和植入前胚胎中的表達(dá)和定位，證實(shí)NPR2可能在早期胚胎發(fā)育和胚胎植入中發(fā)揮重要作用。

另一項(xiàng)研究通過(guò)蛋白質(zhì)印跡和免疫細(xì)胞化學(xué)技術(shù)檢測(cè)了青春期前山羊的未成熟和體外成熟(IVM)卵母細(xì)胞、2～8細(xì)胞期胚胎和胚泡中是否存在激活素ⅡA和ⅡB受體(ACTR-IIA和ACTR-IIB)，該研究結(jié)果揭示了在IVM的青春期前山羊卵母細(xì)胞和胚泡期胚胎中存在ACTR-ⅡA和ACTR-ⅡB，這些受體的表達(dá)可能是理解有能力和無(wú)能力卵母細(xì)胞之間差異的一個(gè)關(guān)鍵因素[9]。此外，還有研究證明內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(ERV)在哺乳動(dòng)物植入前的胚胎發(fā)育期間，可以作為基因表達(dá)的調(diào)節(jié)元件起作用，并且由于ERV激活與ZGA存在密切關(guān)系，探索ERV激活的調(diào)控機(jī)制很可能為體細(xì)胞核移植(SCNT)模型動(dòng)物的胚胎發(fā)育提供更多的線索[10]。但是我們對(duì)哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育的細(xì)胞和分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然很有限，加上物種特異性差異，例如基因組激活的時(shí)間、基因表達(dá)模式[11]和表觀遺傳修飾模式[12]等在不同物種中都是不同的，這些都限制了科研人員對(duì)人類胚胎發(fā)育的研究進(jìn)展。

早期胚胎發(fā)育是一個(gè)受到嚴(yán)格而有序的基因表達(dá)調(diào)控的過(guò)程，合子轉(zhuǎn)錄的開(kāi)始是早期胚胎發(fā)育的關(guān)鍵事件[13]。近期發(fā)現(xiàn)DUX家族蛋白是哺乳動(dòng)物中合子轉(zhuǎn)錄開(kāi)始的關(guān)鍵因子，DUX家族蛋白能與ZGA過(guò)程中的相關(guān)基因結(jié)合，并且激發(fā)它們的表達(dá)。

二、DUX的概述

1. DUX的生物學(xué)特征與功能：DUX是真獸類哺乳動(dòng)物所特有的轉(zhuǎn)錄因子，哺乳動(dòng)物基因組中有3個(gè)DUX基因家族，它們分別為DUXA、DUXB和DUXC[14]。DUX4是DUXC家族中的人類代表蛋白，在人類基因組中，DUX4是一個(gè)DUXC切去內(nèi)含子的產(chǎn)物，以10到100個(gè)單位的序列嵌套在4號(hào)染色體的D4Z4大衛(wèi)星重復(fù)序列中而產(chǎn)生。并且，DUX4通常在睪丸和卵裂期胚胎中表達(dá)[15]。Lee等[16]通過(guò)分析DNA復(fù)合物中DUX4雙同源區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：DUX4同源結(jié)構(gòu)域(HDs)以頭對(duì)頭排列、串聯(lián)的形式與DNA相結(jié)合；DUX4同源結(jié)構(gòu)域HD1和HD2分別綁定不同的核心序列：TAAT和TGAT；DUX4同源結(jié)構(gòu)域HD1中的Glu70-Arg73鹽橋解釋了差異核心序列特異性；HD1改變的靶特異性似乎是靈長(zhǎng)類動(dòng)物特有的。

Eidahl等[17]評(píng)估了DUX家族基因的毒性表型，其中包括DUX4、DUX1、DUX5、DUXA、DUX4-s、DUX-bl和小鼠DUX，研究發(fā)現(xiàn)并非所有DUX蛋白都具備毒性，通常只有小鼠DUX基因與人DUX4會(huì)引起相似的細(xì)胞毒性，說(shuō)明DUX家族的不同成員具有不同的性質(zhì)并發(fā)揮不同的功能。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)DUX4在體細(xì)胞中的異位表達(dá)通過(guò)某種機(jī)制導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這可能需要DUX4特異性的C末端結(jié)構(gòu)域[18]。

2. DUX與疾?。阂呀?jīng)有研究證實(shí)了DUX4基因的異常表達(dá)與面部肱骨肌營(yíng)養(yǎng)不良(FSHD)相關(guān)[19]，在這種疾病中，由于DUX4的不當(dāng)表達(dá)引發(fā)細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能是人成肌細(xì)胞中低水平的DUX4表達(dá)損害了MYOD1和MYF5的表達(dá)和肌管分化，從而破壞了肌的生成[20]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)DUX4向IgH基因座的易位與B細(xì)胞白血病有關(guān)，近年來(lái)已被視為青少年急性淋巴細(xì)胞白血病的主要原因，雖然DUX4不在正常B細(xì)胞中表達(dá)，但研究已顯示DUX4易位會(huì)損害其在白血病細(xì)胞中的正常DNA結(jié)合[21]。

三、DUX與早期胚胎發(fā)育

哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜發(fā)育時(shí)期，涉及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄活性的重大變化[22]，在卵裂期(2細(xì)胞、4細(xì)胞和8細(xì)胞胚胎)發(fā)生的一些特殊事件對(duì)胚胎發(fā)育的成功至關(guān)重要，包括ZGA、表觀遺傳重編程(例如DNA去甲基化和染色質(zhì)重塑)以及端粒長(zhǎng)度的恢復(fù)。其中，ZGA是早期胚胎發(fā)生過(guò)程中遺傳控制的關(guān)鍵點(diǎn)，是合子發(fā)育和胚胎發(fā)生的必要條件[23]。人類基因組編碼兩個(gè)額外的DUX4同源旁系物DUXA和DUXB，它們僅在早期受精卵中的全能8細(xì)胞階段表達(dá)[24]，提示DUX轉(zhuǎn)錄因子可能在胚胎的發(fā)育上起重要作用。

1. DUX驅(qū)動(dòng)胚胎發(fā)育：為了更好地了解人類的早期胚胎發(fā)育，Hendrickson等[25]為卵母細(xì)胞和胚胎搜集了全面的RNA-seq數(shù)據(jù)集，它們不僅為早期胚胎發(fā)育的研究提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)資料，還能夠在計(jì)算機(jī)中鑒定切割特異性基因上游的DUX4高度富集的結(jié)合基序。DUX基因家族是配對(duì)同源結(jié)構(gòu)域(PRD)類的成員，PRD其中包括ARGFX、LEUTX、DPRX和TPRX1，它們都顯示出快速進(jìn)化和分化的跡象，并與人類的ZGA有關(guān)[24-30]。有研究證明DUX4位于ZGA啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄層次結(jié)構(gòu)頂部，有助于在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中驅(qū)動(dòng)重要的發(fā)育事件[23]。并且，還有研究發(fā)現(xiàn)人類DUX4和小鼠DUX在它們各自的物種中都在ZGA之前表達(dá)，這兩種同源蛋白與ZGA相關(guān)基因的啟動(dòng)子結(jié)合并激活它們的轉(zhuǎn)錄，研究者發(fā)現(xiàn)敲除小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)中的DUX可阻止細(xì)胞循環(huán)進(jìn)入2細(xì)胞樣狀態(tài)，從而推斷出小鼠DUX和人DUX4很可能是胚胎發(fā)育進(jìn)入2細(xì)胞期的主要驅(qū)動(dòng)因子，它們的耗竭將會(huì)導(dǎo)致ZGA缺陷和早期胚胎發(fā)育受損甚至停滯[5]。然而，最近一項(xiàng)研究通過(guò)對(duì)小鼠DUX基因進(jìn)行敲除后發(fā)現(xiàn)，小鼠ZGA相關(guān)基因以及小鼠胚胎干細(xì)胞內(nèi)識(shí)別的許多外源性DUX靶基因仍然在DUX敲除小鼠的胚胎中被激活[31]。由此認(rèn)為，雖然DUX對(duì)mESCs進(jìn)入2細(xì)胞樣狀態(tài)有著至關(guān)重要的作用，但是DUX的丟失并不會(huì)阻止小鼠胚胎的發(fā)育，有可能是其他轉(zhuǎn)錄因子或者染色質(zhì)重塑因子在2細(xì)胞胚胎中激活ZGA相關(guān)基因發(fā)揮了作用。

2. DUX激活合子基因組：最近有研究表明，人DUX4或小鼠DUX負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)全能胚胎干細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中ZGA的卵裂期基因表達(dá)[5，23]。當(dāng)DUX4在人誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞(iPSC)中過(guò)表達(dá)時(shí)，可激活ZGA相關(guān)基因和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，并且有研究推測(cè)DUX4可直接與四分之一的這類ZGA相關(guān)基因結(jié)合[32]。當(dāng)人DUX4和小鼠DUX在肌肉細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，可以激活類似于早期胚胎發(fā)育到2細(xì)胞期的程序相關(guān)基因，表明DUX和DUX4可能調(diào)節(jié)早期胚胎中的2細(xì)胞樣程序，盡管它們的同源結(jié)構(gòu)域和結(jié)合序列存在差異，但這些因子仍然保持了它們?cè)谄渥陨砦锓N內(nèi)激活2細(xì)胞樣基因特征的能力[23]。

目前尚不清楚編碼DUX家族轉(zhuǎn)錄因子的基因在胚胎發(fā)育早期是如何短暫激活的，可能是由于合子中的全基因組DNA去甲基化，加上在ZGA期間缺乏抑制性異染色質(zhì)，從而為母體轉(zhuǎn)錄因子提供了激活基因表達(dá)的短暫機(jī)會(huì)。與此相關(guān)的一項(xiàng)研究報(bào)道了在胚胎發(fā)育到2細(xì)胞期時(shí)，染色質(zhì)組裝因子(CAF-1)介導(dǎo)的染色質(zhì)組裝與DNA合成發(fā)生短暫的解偶聯(lián)，從而潛在地降低基因組中核小體的占有率，并允許DUX表達(dá)爆發(fā)[33]。轉(zhuǎn)錄因子DUX在ZGA中被表達(dá)，并且能夠激活許多ZGA下游的轉(zhuǎn)錄物，但尚不清楚具體哪些上游母體因素以依賴于DUX的方式或不依賴于DUX的方式啟動(dòng)ZGA。Eckersley-Maslin等[34]利用過(guò)表達(dá)、敲除和挽救實(shí)驗(yàn)以及轉(zhuǎn)錄分析發(fā)現(xiàn)Dppa2和Dppa4需要DUX來(lái)啟動(dòng)2細(xì)胞樣轉(zhuǎn)錄，提示它們通過(guò)直接調(diào)控DUX在上游發(fā)揮作用；染色質(zhì)免疫沉淀結(jié)合高通量測(cè)序分析表明，Dppa2和Dppa4與DUX啟動(dòng)子結(jié)合并驅(qū)動(dòng)其表達(dá)，從而發(fā)揮出DUX在早期胚胎發(fā)育中引起ZGA的作用。

四、總結(jié)與展望

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)胚胎健康的關(guān)注早已不僅僅局限于胚胎著床之后的時(shí)段，胚胎的早期發(fā)育越來(lái)越被重視。早期胚胎發(fā)育異?？蓪?dǎo)致不孕和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)等妊娠相關(guān)疾病的發(fā)生。雖然DUX在哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中啟動(dòng)ZGA的作用仍然有爭(zhēng)議，但是轉(zhuǎn)錄因子DUX家族在早期胚胎發(fā)育轉(zhuǎn)錄激活中的潛在作用還是值得挖掘和探索的，可以為不孕和復(fù)發(fā)性流產(chǎn)等妊娠相關(guān)疾病的機(jī)制研究與臨床治療提供新的思路，同時(shí)為ART、植入前遺傳學(xué)篩查等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。