胚胎母源-合子轉(zhuǎn)換期中的表觀遺傳調(diào)控

張 穎，李曉霞*，許保增*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林長春 130112；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特種經(jīng)濟動物分子生物學(xué)重點實驗室，吉林長春 130112）

胚胎發(fā)生起始于單倍體精子和單倍體卵子的受精，也就是從精卵結(jié)合成受精卵（也稱合子）開始。胚胎發(fā)生的早期階段依賴于一系列高度協(xié)調(diào)的遺傳編碼事件。最初，合子基因組的轉(zhuǎn)錄是靜止的，胚胎的整個起始發(fā)育主要靠卵子發(fā)生過程中卵中積累大量的母源物質(zhì)調(diào)控，包括mRNAs和蛋白質(zhì)。在幾次快速卵裂后，母源mRNAs和蛋白質(zhì)會被清除，合子基因組被激活，此時的胚胎發(fā)育由母源因子調(diào)控轉(zhuǎn)向合子基因組調(diào)控，這個過程被稱為母源-合子轉(zhuǎn)換（Maternal-Zygotic Transition，MZT）[1-3]。MZT是胚胎發(fā)育的關(guān)鍵，因為它能夠協(xié)調(diào)細胞分裂和合子基因激活，為細胞分化和進一步發(fā)育做準備[4]。

MZT涉及母源物質(zhì)清除、合子基因組激活（Zygotic Genome Activation，ZGA）2個主要過程。母源物質(zhì)是卵母細胞成熟以及早期胚胎發(fā)育所必需的，但是在胚胎發(fā)育后期是不必要的，也可能是有害的，母源物質(zhì)的清除有利于胚胎后續(xù)發(fā)育[1,5]。合子基因組激活是受精后基因表達的開始，是胚胎轉(zhuǎn)錄本產(chǎn)生的關(guān)鍵。合子基因組激活后，原本在轉(zhuǎn)錄上靜止的基因組會被重新編程成全能狀態(tài)[6-7]。探究母源物質(zhì)清除和合子基因組激活的機制對胚胎發(fā)育的研究至關(guān)重要。母源mRNAs的清除是因為靶mRNA的去腺苷酸化，RNA結(jié)合蛋白Pumilio、Smaug和胚胎去腺苷酸化元件結(jié)合蛋白EDENBP（Embryonic deadenylation element-binding protein，EDEN-BP）、microRNAs是主要參與靶mRNAs去腺苷酸化調(diào)節(jié)母源mRNAs降解的因子，母源物質(zhì)的清除為合子基因表達奠定了理想前提[5]。

ZGA作為胚胎后續(xù)發(fā)育的關(guān)鍵點，對于指導(dǎo)新的發(fā)育進程是必不可少的，了解其發(fā)生機制對胚胎發(fā)育研究具有重大意義。ZGA過程中涉及的調(diào)控因子有很多[6-7]，其中，表觀遺傳學(xué)機制在母體轉(zhuǎn)向胚胎發(fā)育調(diào)控的基因表達和合子基因組激活這一轉(zhuǎn)變中至關(guān)重要。本文主要對MZT過程中涉及的DNA甲基化、染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾等調(diào)控機制進行綜述。

1 表觀遺傳學(xué)與胚胎發(fā)育

目前，關(guān)于表觀遺傳學(xué)的研究有很多，涉及癌癥、神經(jīng)、胚胎發(fā)育[8-10]等，是各大研究領(lǐng)域研究熱點。表觀遺傳學(xué)指的是基因表達或細胞表型的遺傳變化，這些變化不會改變DNA序列，是DNA修飾的非孟德爾遺傳，可能影響一個或多個等位基因的基因表達，即表觀遺傳變化在細胞與細胞之間變化可遺傳，并且可能從親本向后代遺傳[11]。已知的表觀修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、表觀遺傳小的非編碼RNA等。組蛋白尾巴可以進行翻譯后修飾，這些修飾（連同其他表觀遺傳標記）決定染色質(zhì)是活性的還是非活性的，反過來影響染色質(zhì)區(qū)域內(nèi)基因的表達狀態(tài)[12]。小的非編碼RNA可以經(jīng)歷DNA甲基化或組蛋白修飾，從而影響各種基因的表達狀態(tài)[8]。

新的研究表明，表觀遺傳因素是可遺傳的，父親的生活方式可能影響胎兒的發(fā)育和疾病風(fēng)險，雄性經(jīng)歷的胚胎壞境會影響后代的性別比例[13]。在線蟲中，精子遺傳染色質(zhì)狀態(tài)傳遞給后代原始生殖細胞，影響生殖系轉(zhuǎn)錄和發(fā)育，精子H3K27me3遺傳給后代生殖細胞，以防止生殖系不適當?shù)霓D(zhuǎn)錄，從而保護生殖細胞[14]。精子中的氧化應(yīng)激不僅影響DNA的完整性，而且對表觀遺傳重編程的動力學(xué)也有影響，可能損害父本遺傳和表觀遺傳對發(fā)育胚胎的貢獻，影響胚胎發(fā)育和胚胎質(zhì)量[15]。在早期胚胎中，精子核通過用來自母體基因組的乙?；M蛋白替換精蛋白而廣泛重塑，從而導(dǎo)致父系染色質(zhì)的去致密，這個過程是產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄能力強的DNA的關(guān)鍵，這有助于滿足合子的需要[16]。

表觀基因組對環(huán)境變化敏感，可持續(xù)改變基因表達，特別是在胚胎發(fā)育過程中[17]。研究表明，在斑馬魚胚胎中敲除組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶Camello蛋白（CMLO3），會造成胚胎軸延伸以及頭部形成的缺陷，對胚胎具有致死性[18]。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1和組蛋白脫乙?；窰DAC抑制劑能夠影響豬體細胞核移植過程中基因特異性甲基化重編程，單用Scriptaid或者其與RG108的結(jié)合都能顯著促進克隆胚胎中Nanog的轉(zhuǎn)錄，提高植入前胚胎的發(fā)育能力[19]。表觀遺傳標記參與維持干細胞多能性，高水平的H3精氨酸甲基化易使卵裂球向內(nèi)細胞團（Inner Cell Mass，ICM）發(fā)育，在個體卵裂球中過表達H3特異性精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶CARM1，其后代導(dǎo)向ICM并導(dǎo)致Nanog和Sox2的戲劇性上調(diào)，這表明特定的組蛋白修飾作為最早已知的表觀遺傳標記能夠促進ICM發(fā)育，表觀遺傳信息的處理可影響細胞命運[20]。

2 MZT中的表觀遺傳調(diào)控

2.1 DNA甲基化 DNA的甲基化是哺乳動物中必不可少的表觀遺傳調(diào)控機制，在胚胎發(fā)育期間，細胞被引導(dǎo)至其未來譜系，并且DNA甲基化構(gòu)成了基本的表觀遺傳屏障，其指導(dǎo)和限制分化并阻止回歸到未分化狀態(tài)。DNA甲基化在性染色體劑量補償、維持基因組完整性和基因組穩(wěn)定性以及印跡基因的協(xié)調(diào)表達中也起著重要作用[21]。DNA甲基化的模式可以分為從頭開始的DNA甲基化和維持DNA甲基化2類，每一類都有一套在動植物中保存的特征良好的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）[22]。迄今為止，哺乳動物中有6種不同的DNMTs被定義為DNMT1、DNMT2、DNMT3a、DNMT3b、DNMT3c和DNMT3L。負責(zé)從頭DNA甲基化的酶是DNMT3家族，包括DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L。其中DNMT3L缺乏關(guān)鍵的甲基轉(zhuǎn)移酶基序，沒有酶活性，但可以作為從頭開始DNA甲基化中DNMT3a和DNMT3b的調(diào)節(jié)器。DNMT1蛋白主要通過在DNA復(fù)制過程中向半甲基化DNA鏈中添加甲基來維持甲基化。DNMT 2蛋白可以使天冬氨酸轉(zhuǎn)移RNA反轉(zhuǎn)錄環(huán)中的胞嘧啶38甲基化，而不是使基因組DNA甲基化。DNMT3C最近被鑒定為從頭甲基轉(zhuǎn)移酶，它保護雄性生殖細胞不受轉(zhuǎn)座子活動的影響，并且對小鼠的生育至關(guān)重要[23]。

在卵子發(fā)生和著床前胚胎發(fā)育過程中，DNA甲基化在嚴格調(diào)節(jié)發(fā)育相關(guān)基因的刺激或抑制以及及時建立母系和父系印記方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。生長中的GV卵母細胞中的全局甲基化在出生后開始逐漸增加，并在青春期達到MII卵母細胞中的最高水平。在胚胎發(fā)育早期，全局DNA甲基化從1細胞胚胎到16細胞胚胎逐漸減少，并開始在胚泡期胚胎中增加[23-24]。DNMT1與MII卵母細胞染色質(zhì)有關(guān)，并在整個植入前發(fā)育過程中存在于細胞核中。用抗體或RNAi（RNA干擾）敲除抑制DNMT1s活性可降低特定重復(fù)序列和印記位點的DNA甲基化。母系和合子DNMT1的缺失導(dǎo)致印記區(qū)域的甲基化完全喪失，這表明母系和合子DNMT1都需要保持印記位點的DNA甲基化模式[22]。

DNA甲基化主要是在胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CPG）和非CPG二核苷酸位點的胞嘧啶殘基的第5個碳原子（5mC）上添加甲基。受精后，父本核中5mC信號丟失，以其氧化形式5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）積累，形成合子后，親本基因組在母本和父本原核中空間分離，母本基因組的總體DNA甲基化水平低于父本基因組[25-26]。母本和父本基因組通過不同狀態(tài)進行DNA去甲基化。DNMT1的核排斥，部分由皮質(zhì)下母體復(fù)合體（Subcortical Maternal Complex，SCMC）和DNMT 1招募者UHRF1的細胞質(zhì)定位所驅(qū)動，是在母本基因組中觀察到的DNA被動去甲基化的主要驅(qū)動力。父本基因組大部分經(jīng)歷了快速和活躍的去甲基化，這主要是依賴TET3（Ten-Eleven Translocation，TET）羥化酶的活性，TET3催化5mC到5hmC的轉(zhuǎn)化，并在早期胚胎中大量表達[27]。母源因子PGC7（也稱Dppa3，Stella）是維持早期胚胎發(fā)生時DNA甲基化所必需的，在母本基因組中通過結(jié)合含H3K9Me2的染色質(zhì)保護5mC免受TET3介導(dǎo)轉(zhuǎn)化為5hmC[28]。

2.2 染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)重塑一直被認為在MZT中起著關(guān)鍵作用，通過確保特定的基因表達模式。精子發(fā)生和早期胚胎發(fā)生特別容易受到表觀遺傳影響，為了形成高度專門化的成熟精子并促進合子的全能性，一些表觀遺傳修飾必須經(jīng)過戲劇性的重編程來重新排列染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[29]。組蛋白翻譯后修飾（Post-Translational Modification，PTMs）在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控中發(fā)揮重要作用，并與基因表達調(diào)控有關(guān)。染色質(zhì)可及性通過核小體位置和構(gòu)型調(diào)節(jié)，其受組蛋白變體以及組蛋白N末端尾部標記的轉(zhuǎn)錄后修飾（如甲基化和乙?；┑挠绊?。其中，組蛋白H3K4me3與轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)，啟動子H3K4me3通常與晚期2細胞階段的基因轉(zhuǎn)錄相關(guān)，H3K27me3與失活染色質(zhì)相關(guān)，H3K27ac則與開放染色質(zhì)相關(guān)聯(lián)，這些在胚胎早期發(fā)育中極其重要，在果蠅中，卵母細胞遺傳的H3K27me3結(jié)構(gòu)域是防止ZGA期間H3K27ac異常積累的必要條件[27]。

組蛋白變體的變化刺激核小體改變從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)形成。抑制性H2A變異體macroH2A存在于發(fā)育成熟的小鼠卵母細胞中，在受精后從母體基因組中去除。隨著胚胎轉(zhuǎn)錄活躍，macroH2A逐漸消失，可能母體macroH2A有助于其轉(zhuǎn)錄沉默。macroH2A變體在維持核組織和異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)方面具有重要作用，胚胎H2A.Z（HTZ-1）是發(fā)育所必需的，是由母源mRNA轉(zhuǎn)錄而來，與發(fā)育關(guān)鍵基因結(jié)合影響表達特異性。小鼠中H3.3的敲除誘導(dǎo)2細胞階段染色體過度凝縮和桑椹胚中的合子轉(zhuǎn)錄受損。在果蠅中，胚胎H1變體dBigH1缺失導(dǎo)致早期Pol II活性和基因表達，這表明ZGA的一個障礙是高階染色質(zhì)的早期流行[1,30]。

最新研究發(fā)現(xiàn)，MZT是脊椎動物胚胎發(fā)育過程中異染色質(zhì)形成的關(guān)鍵發(fā)育調(diào)節(jié)因子，異染色質(zhì)的全基因組建立是由胚胎發(fā)生過程中MZT觸發(fā)的，染色質(zhì)重塑蛋白Smarc2在保護胚胎基因組免受異染色質(zhì)作用方面有重要作用[31]。早期胚胎中轉(zhuǎn)錄機制和染色質(zhì)之間的相互作用可能調(diào)節(jié)ZGA的時間。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的抑制性轉(zhuǎn)錄狀態(tài)可能有助于選擇性地調(diào)節(jié)啟動子活性，以確保在抑制非必需或有害基因的同時，啟動正常發(fā)育的時間關(guān)鍵基因的時空表達[22]。原位DNA I敏感性測定（指示開放性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)）和體外轉(zhuǎn)錄分析（指示總轉(zhuǎn)錄活性），證實了染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與ZGA之間的直接關(guān)聯(lián)，增加的DNaseI敏感性對應(yīng)晚期1細胞到2細胞階段的轉(zhuǎn)錄活性增加，而早期和晚期1細胞階段起始轉(zhuǎn)錄活性與降低的DNaseI相關(guān)，這說明染色質(zhì)結(jié)構(gòu)參與ZGA的調(diào)節(jié)可能始于1細胞時期[32-33]。卵裂過程中，發(fā)生的染色質(zhì)重塑和轉(zhuǎn)錄需要嚴格調(diào)控，才能確保胚胎的正常發(fā)育。

2.3 組蛋白修飾 組蛋白曾經(jīng)被認為是靜態(tài)結(jié)構(gòu)元件，現(xiàn)在被認為是負責(zé)調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄機器的動態(tài)和整體元件[34]。組蛋白修飾是涉及胚胎發(fā)育和細胞分化以及包括癌癥在內(nèi)的病理狀況的中心表觀遺傳修飾之一，組蛋白修飾對基因表達的調(diào)控至關(guān)重要[4,35]。在MZT期間，2種類型的組蛋白修飾涉及調(diào)控基因表達，包括賴氨酸乙?；唾嚢彼幔ㄈ┘谆?。在非洲爪蟾中，Dimitrov等[36]觀察到導(dǎo)致MBT的廣泛的H4脫乙?；?，這與產(chǎn)生“默認關(guān)閉”轉(zhuǎn)錄狀態(tài)以及染色質(zhì)可及性的基因特異性調(diào)節(jié)一致。小鼠上有研究表明，H4乙酰化能夠區(qū)分轉(zhuǎn)錄活躍的雄原核與沉默的雌原核，在1細胞時期，相比于雌原核，G1時期雄原核中的H4高乙?；捷^高，而在S和G2期水平相似[1,37]。與組蛋白H4乙?；喾?，親本基因組中H3的不對稱甲基化模式輝一直穩(wěn)定到2細胞階段，受精后不久產(chǎn)生親本基因組之間的不對稱H3/K9甲基化模式能夠在植入早期發(fā)育期間持續(xù)存在，H3/K9甲基化酶在4細胞階段被激活，此時親本基因組是進行對稱性的甲基化[38]。H3賴氨酸甲基化能夠影響MZT期間基因激活的時間，且在不同物種之間差異很大[39-42]。

H3K4me3和H3K27me3是與轉(zhuǎn)錄激活和抑制相關(guān)的重要的組蛋白修飾[38]，而H3K36me3則標記轉(zhuǎn)錄延伸的區(qū)域[43]。研究表明，對斑馬魚的母源-合子轉(zhuǎn)換期前后帶有賴氨酸三甲基化修飾的組蛋白H3分子的基因組位置進行檢測，雖在轉(zhuǎn)換之前未檢測到具有抑制性的H3K27me3和處于激活狀態(tài)的H3K4me3，而在基因組激活之后，超過80%的基因都被H3K4me3標記，這也包括許多被H3K27me3標記的非活性發(fā)育調(diào)控基因[44]。Dahl等[45]利用微尺染色質(zhì)免疫共沉淀和測序（μChlPseq）分析小鼠未成熟和MII卵母細胞和2細胞和8細胞胚胎全基因組組蛋白H3賴氨酸甲基化（H3K4me3）和乙?；℉3K27ac），發(fā)現(xiàn)約22%的卵母細胞基因組與廣泛的H3K4me3結(jié)構(gòu)域相關(guān)，這些結(jié)構(gòu)域與DNA甲基化反相關(guān)，H3K4me3信號局限于2細胞胚胎中的轉(zhuǎn)錄起始位點區(qū)域，伴隨著主要合子基因組激活的發(fā)生。賴氨酸去甲基化酶KDM5A和KDM5B主動去除廣泛的H3K4me3結(jié)構(gòu)域是正常的合子基因組激活所必需的，并且對于早期胚胎發(fā)育是必需的，這也證明了廣泛的H3K4me3結(jié)構(gòu)域在MZT中的作用。

在哺乳動物中，MZT伴隨著母本遺傳組分對父本基因組染色質(zhì)的全核重建，母本和父本基因組具有不同的染色質(zhì)修飾，并且每個親本基因組對受精卵中染色質(zhì)構(gòu)象的建立有不同的貢獻，這對于合子基因表達是必需的。在母本染色體中，中心異染色質(zhì)由H3K9me3和H4K20me3標記，其由卵母細胞中的Suv39 h和Suv4-20 h組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（HMT）以及配子融合后加載到染色質(zhì)上的HP1β建立[30]。特定基因的父系組蛋白修飾也可能影響合子基因表達[4]，在斑馬魚精子中發(fā)現(xiàn)H3K4me3 和 H3K27me3能夠組合標記胚胎發(fā)育基因，H3K4me3強烈傾向于標記在ZGA時表達的精子中的基因，而H3K27me3與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和發(fā)育功能有關(guān)，精子中H3K27me3標記的發(fā)育重要基因也許在ZGA之前就對胚胎中穩(wěn)定染色質(zhì)狀態(tài)的建立起了一定作用[46]。在牛體細胞核移植胚中通過異位表達的H3K27me3賴氨酸脫甲基酶（KDM）6A的去除極大地促進了轉(zhuǎn)錄重編程，提高了核重編程效率。

2.4 非編碼RNA 近年來，非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）在MZT期間的作用備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，MZT期間發(fā)生的染色質(zhì)重塑和轉(zhuǎn)錄變化不僅受蛋白質(zhì)編碼基因驅(qū)動，而且受ncRNA的驅(qū)動，特別是sncRNA（small non-coding RNA）以及長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNA，lncRNA）[27]。哺乳 動物中，sncRNA在早期胚胎發(fā)育過程中很重要，牛卵母細胞和胚胎中與MZT相關(guān)的sncRNA相對豐度的強烈動態(tài)變化，表明這些分子在MZT中對基因表達起到重要作用[47]。sncRNA中的miRNA通過轉(zhuǎn)錄后機制控制基因的表達，不同的miRNA（如miR-200，miR-29）受表觀遺傳機制DNA甲基化和組蛋白修飾調(diào)控，同時，miRNA（miR-301，miR-449等）本身也可以調(diào)節(jié)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）和組蛋白脫乙?；福℉DACs）的水平，從而調(diào)控表觀遺傳修飾[48]。miR-125家族通過抑制MEGs EBOX和蛋白lin-28同系物A（LIN28A）的表達而對主要ZGA產(chǎn)生負調(diào)控；在生發(fā)泡卵母細胞中注射miR-125家族成員的模擬物會導(dǎo)致2細胞停滯，而注射miR-125家族成員的抑制劑則會增強ZGA[49]。

lncRNA是一種表觀遺傳調(diào)節(jié)劑，被認為在小鼠胚胎發(fā)育中起著重要作用，并且一些發(fā)育缺陷與表觀遺傳修飾障礙有關(guān)。lncRNAs在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中以發(fā)育階段特異性方式表達，而在小鼠SCNT胚胎中發(fā)現(xiàn)了更多時空特異性表達模式。在體細胞重編程期間染色質(zhì)狀態(tài)發(fā)生了變化，導(dǎo)致不完全的合子基因組激活，卵母細胞到胚胎的轉(zhuǎn)化以及2細胞到4細胞的轉(zhuǎn)化[50]。作為復(fù)雜的表觀遺傳學(xué)調(diào)控的一部分，lncRNA能通過控制多種細胞過程中的染色質(zhì)重塑來影響基因表達。LncRNA可以直接與許多組蛋白和DNA修飾酶相互作用，包括MLL/TrxG復(fù)合物、組蛋白脫甲基酶LSD1和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1，參與組蛋白或DNA的共價修飾，也能夠調(diào)節(jié)非共價修飾，lncRNA作為染色質(zhì)修飾酶和ATP依賴的染色質(zhì)重塑因子的伴侶，來控制染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和遺傳信息的可及性[51]。通過調(diào)節(jié)ZGA期間的核小體裝配和染色質(zhì)裝配，lncRNA可能激活ZGA[52]。在小鼠1細胞階段，顯微注射抑制白介素17 d（Il17 d）mRNA的大量啟動子相關(guān)的非編碼RNA（promoter-associated noncoding RNAs，pancRNAs）伴侶的siRNA引起胚胎致死性，其可通過在4細胞階段提供體外IL17D蛋白得以挽救，這類新穎的lncRNAs可以順式調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄機制以激活合子基因，對于植入前的胚胎發(fā)育很重要[53]。

3 展 望

母源調(diào)控向合子調(diào)控的轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜且高度協(xié)調(diào)的發(fā)展過程，包括物質(zhì)衰變和生成，MZT過程中的時空調(diào)控機制是成功胚胎發(fā)生的必要條件[30]。上述表觀遺傳因素對調(diào)控MZT以及理解MZT的機制至關(guān)重要。除了上述表觀因素，也有新研究發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)生的第一階段，重編程細胞命運需要轉(zhuǎn)錄激活子進入基因組并重塑合子轉(zhuǎn)錄組，胚胎中重新編程可能需要特定的、連續(xù)的開創(chuàng)性功能來激活基因組[54]。MZT作為胚胎發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控過程，盡管，已知的調(diào)控MZT的表觀遺傳因素有DNA甲基化、染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾、非編碼RNA等，但是還不夠全面，還需要進一步挖掘，這些因素之間是否有關(guān)聯(lián)，它們之間的關(guān)聯(lián)機制以及它們在MZT中的功能作用更需要深入探究，這對于進一步理解MZT的機制，改善胚胎發(fā)育有重要意義，對全面理解早期胚胎發(fā)育機制更是一個補充。