哺乳動(dòng)物合子基因組激活過程中的染色質(zhì)重塑

張景瑤，張 魯，高 帥

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過程中，合子基因組激活(zygotic genome activation，ZGA)異常會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育阻滯和妊娠失敗，是造成動(dòng)物早期胚胎丟失的重要原因。在ZGA期間，胚胎轉(zhuǎn)錄模式發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變的同時(shí)也伴隨著劇烈的表觀遺傳重編程，包括染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)、染色質(zhì)可及性(chromatin accessibility)、DNA甲基化在內(nèi)的表觀遺傳信息的廣泛變化，其正在重構(gòu)胚胎表觀基因組[1-2]。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，研究人員可以在單細(xì)胞和單堿基的分辨率下，從全基因組水平研究哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過程中表觀遺傳信息的動(dòng)態(tài)變化和作用機(jī)制。因此，研究ZGA過程中發(fā)生的染色質(zhì)重塑能夠加深對(duì)早期胚胎發(fā)育的了解，對(duì)于解決胚胎體外培養(yǎng)過程中早期胚胎發(fā)育阻滯、難以發(fā)育至囊胚期的難題，改善胚胎體外培養(yǎng)效率具有重要意義。

1 合子基因組激活

胚胎發(fā)育早期，合子基因組在一定時(shí)間內(nèi)保持沉默，由卵母細(xì)胞所提供的mRNA和蛋白質(zhì)調(diào)控發(fā)育的初始階段，這種調(diào)控稱為母體效應(yīng)(maternal effect)。而在受精卵分裂到一定時(shí)期，隨著胚胎的不斷發(fā)育，母源蛋白質(zhì)和mRNA逐漸被消耗降解[3]，合子基因組被激活并表達(dá)，胚胎發(fā)育由母體效應(yīng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)榕咛プ陨淼幕蚪M控制。初始階段由母體提供的基因產(chǎn)物指導(dǎo)母源mRNA的降解，而后期合子產(chǎn)生的蛋白質(zhì)和microRNA能夠提高母源mRNA的降解效率[4-6]。母源到合子的過渡(maternal-to-zygotic transition，MZT)對(duì)發(fā)育至關(guān)重要，其可協(xié)調(diào)細(xì)胞分裂和ZGA，為細(xì)胞分化和進(jìn)一步發(fā)育做好準(zhǔn)備。ZGA是哺乳動(dòng)物植入前胚胎發(fā)育過程中發(fā)生的最明顯的轉(zhuǎn)錄變化之一，正是在這一發(fā)育階段，動(dòng)物細(xì)胞開始獲得不同的命運(yùn)和特定的形態(tài)。在大多數(shù)哺乳動(dòng)物中，基因組的激活是逐步進(jìn)行的，ZGA過程一般由兩個(gè)階段組成：第一個(gè)階段是最早轉(zhuǎn)錄活動(dòng)的起始期，又稱為次要的合子基因激活期(minor ZGA)，此時(shí)某些合子基因已經(jīng)開始轉(zhuǎn)錄；另一個(gè)階段是主要的合子基因激活期(major ZGA)[7-8]。在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中，minor ZGA起始于1-細(xì)胞中晚期，主要轉(zhuǎn)錄一些重復(fù)序列和沒有正常PolyA加尾和剪切的低水平轉(zhuǎn)錄本[9-10]。用RNA聚合酶Ⅱ的可逆抑制劑暫時(shí)抑制minor ZGA會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育停滯在2-細(xì)胞階段[11]。小鼠胚胎內(nèi)major ZGA發(fā)生在2-細(xì)胞晚期，表現(xiàn)為大量基因的正常激活[12]。Graf等[13]發(fā)現(xiàn)，在牛胚胎體外培養(yǎng)過程中，最大比例的基因激活發(fā)生在8-細(xì)胞期，而在4-細(xì)胞前的發(fā)育過程中，僅有少量胚胎基因表達(dá)。且ZGA發(fā)生的時(shí)間具有物種特異性，除小鼠以外，在大多數(shù)哺乳動(dòng)物胚胎中major ZGA發(fā)生在第2～3次卵裂后[14-15](表1)。ZGA過程中，胚胎基因組從幾乎沒有轉(zhuǎn)錄的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)千個(gè)基因被轉(zhuǎn)錄的狀態(tài)，這與其他發(fā)育轉(zhuǎn)變有很大的區(qū)別。在其他發(fā)育轉(zhuǎn)變過程中，細(xì)胞的整體轉(zhuǎn)錄水平在很大程度上保持穩(wěn)定，少數(shù)轉(zhuǎn)錄因子足以通過激活部分基因來指示細(xì)胞沿特定譜系發(fā)育的命運(yùn)。

表1 不同哺乳動(dòng)物主要合子基因組激活發(fā)生時(shí)期

2 染色質(zhì)重塑

真核生物體內(nèi)，染色質(zhì)重塑通過改變核小體位置和結(jié)構(gòu)調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，并通過允許或阻止關(guān)鍵調(diào)控序列與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，進(jìn)而激活或抑制特定基因在不同發(fā)育時(shí)期的轉(zhuǎn)錄，從而實(shí)現(xiàn)一系列表觀遺傳層面的變化。

2.1 染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)

在真核生物中，染色質(zhì)不以線性分子的形式存在，而是經(jīng)過復(fù)雜而有序的折疊，分層包裝在細(xì)胞核內(nèi)。染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)是表觀遺傳非常重要的組成部分，在配子發(fā)生與早期胚胎發(fā)育的調(diào)控過程中發(fā)揮著非常重要的作用，能夠廣泛參與DNA復(fù)制、DNA修復(fù)、細(xì)胞分裂分化和轉(zhuǎn)錄調(diào)控等過程[16-17]。染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)可以分為染色質(zhì)環(huán)(loop)、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)域(topologically associating domain，TAD)、A/B區(qū)室(A/B compartment)和染色體領(lǐng)地(chromosome territory，CT)等多個(gè)層級(jí)[18-22](圖1)。Lieberman-Aiden等[19]利用高通量全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲 (high input chromosome conformation capture，Hi-C)技術(shù)研究了人類基因組的三維結(jié)構(gòu)，首次提出可以將染色質(zhì)區(qū)域明確分成兩個(gè)部分，稱之為A/B compartment。A compartment包含的基因較多，mRNA表達(dá)量相對(duì)較高，染色質(zhì)可及性較高，富集激活性修飾H3K36me3，對(duì)應(yīng)開放染色質(zhì)區(qū)域；而另一些區(qū)域包含的基因個(gè)數(shù)較少，轉(zhuǎn)錄活性也低，稱為B compartment，對(duì)應(yīng)封閉染色質(zhì)區(qū)域。TAD結(jié)構(gòu)是指染色質(zhì)上一段連續(xù)的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的所有位點(diǎn)之間相互作用頻率很高，但與區(qū)域外位點(diǎn)相互作用極少，一般認(rèn)為TAD結(jié)構(gòu)是染色體空間構(gòu)象基本的結(jié)構(gòu)單元[20]。loop是指由cohesion蛋白介導(dǎo)并與DNA上的CTCF結(jié)合，錨定形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，loop錨定區(qū)域常富含啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和沉默子等調(diào)控元件[22]。 多梳蛋白相關(guān)結(jié)構(gòu)域(polycomb associating domains，PAD)是小鼠初級(jí)卵母細(xì)胞中特殊的染色體三維結(jié)構(gòu)。研究人員利用少量細(xì)胞全基因組染色質(zhì)構(gòu)象捕獲(sisHi-C)技術(shù)系統(tǒng)檢測了小鼠卵子發(fā)生各個(gè)時(shí)期以及早期胚胎發(fā)育過程中的染色體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)伴隨著卵泡的發(fā)育，完全生長的初級(jí)卵母細(xì)胞(full-grown oocytes，F(xiàn)GOs)出現(xiàn)了非經(jīng)典的特殊染色體三維結(jié)構(gòu)[23]，經(jīng)典的區(qū)室結(jié)構(gòu)明顯減弱或消失[23-24]，與此同時(shí)在近端區(qū)域出現(xiàn)了新的區(qū)室結(jié)構(gòu)，并與由多梳抑制復(fù)合物2(polycomb repressive complex 2，PRC2)催化的抑制性組蛋白修飾H3K27me3標(biāo)記區(qū)域高度吻合。這一結(jié)構(gòu)在初級(jí)卵母細(xì)胞發(fā)生生發(fā)泡破裂(germinal vesicle break down，GVBD)時(shí)迅速消失，受精后又特異性地出現(xiàn)在早期胚胎的母本基因組中[23]。近年的研究結(jié)果表明，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)是高度動(dòng)態(tài)的，其高級(jí)結(jié)構(gòu)經(jīng)常由于各種染色質(zhì)重塑復(fù)合體的修飾而改變[25]，染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)對(duì)于真核生物不同時(shí)期生命活動(dòng)的正常有序進(jìn)行有重要調(diào)控作用。

圖1 染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)[22]Fig.1 The higher-order chromatin structure[22]

2.2 染色質(zhì)可及性

染色質(zhì)可及性是指核內(nèi)大分子與染色質(zhì)化的DNA物理接觸的難易程度，由是否被核小體占據(jù)、染色質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其他染色質(zhì)結(jié)合因子決定。核小體間DNA通常與轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶或帶有連接組蛋白(linker histone)的結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)合，從而調(diào)節(jié)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)和局部染色質(zhì)可及性。雖然可接近(accessible)的染色質(zhì)僅占總基因組序列2%～3%的區(qū)域，但卻含有90%以上的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。核小體和連接組蛋白占位率在基因組范圍內(nèi)呈動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了高度動(dòng)態(tài)的染色質(zhì)可及性圖譜，這對(duì)于染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能至關(guān)重要，反映了生物的調(diào)控能力[26]。染色質(zhì)可及性通過調(diào)節(jié)DNA結(jié)合蛋白的基因組可及性調(diào)控基因在不同時(shí)期的表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)，開放染色質(zhì)標(biāo)志著如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子和絕緣子等調(diào)控元件與細(xì)胞內(nèi)特定轉(zhuǎn)錄因子相互作用，精細(xì)調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄活性，從而確定了賦予細(xì)胞身份和功能的細(xì)胞特異性基因表達(dá)模式，指導(dǎo)細(xì)胞的發(fā)育和凋亡[27-28]。

2.3 染色質(zhì)重塑常用研究方法

近年來，隨著單細(xì)胞及微量細(xì)胞基因組測序技術(shù)的高速發(fā)展，使得研究早期胚胎表觀遺傳動(dòng)態(tài)變化成為可能。Hi-C技術(shù)通過將空間結(jié)構(gòu)鄰近的DNA片段進(jìn)行交聯(lián)，并富集交聯(lián)的DNA片段進(jìn)行高通量測序，解析全基因組范圍內(nèi)染色質(zhì)片段間的相互作用。通過改進(jìn)Hi-C方法，研究人員僅需要少量細(xì)胞就能夠從全基因組水平了解哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育中的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[29]。而目前人們主要利用DNase-seq、ATAC-seq及COOL-seq這幾種技術(shù)研究染色質(zhì)可及性。DNase-seq技術(shù)利用DNase Ⅰ內(nèi)切酶切割無核小體包裝的裸露DNA，對(duì)酶切下來的DNA小片段建庫測序，得到DNase Ⅰ超敏位點(diǎn)DHS[30]；ATAC-seq技術(shù)利用Tn5轉(zhuǎn)座酶不能進(jìn)入核小體連接致密的地方，但能進(jìn)入松散的區(qū)域并切割下暴露的DNA[31]；COOL-seq技術(shù)則是利用M.CviP Ⅰ甲基化酶在體外對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行甲基化，進(jìn)而通過檢測GCH(GCA/GCC/GCT)位點(diǎn)甲基化水平表示染色質(zhì)可及性。其中，COOL-seq技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞分辨率上對(duì)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組、基因組甲基化及染色質(zhì)開放狀態(tài)等多層次的分析，具有很高的靈敏性，能夠準(zhǔn)確檢測出染色質(zhì)的開放狀態(tài)，并能夠?qū)⑷旧|(zhì)關(guān)閉狀態(tài)與假陰性相區(qū)分。據(jù)報(bào)道，COOL-seq技術(shù)在小鼠附植前胚胎單細(xì)胞全基因組的平均覆蓋率為12.5%，將單細(xì)胞數(shù)據(jù)合并時(shí)覆蓋率可以達(dá)到77.6%[32]，高于ATAC-seq等方法獲得的數(shù)據(jù)。

3 ZGA過程中發(fā)生的染色質(zhì)重塑

在ZGA前，胚胎表觀基因組呈現(xiàn)出十分特殊的狀態(tài)，其特征包括缺乏異染色質(zhì)或存在不成熟的異染色質(zhì)狀態(tài)、非轉(zhuǎn)錄依賴的激活性修飾廣泛建立，高度松散的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)及非轉(zhuǎn)錄依賴的開放染色質(zhì)廣泛出現(xiàn)[33]。受精卵在胚胎發(fā)育早期經(jīng)歷了一系列的染色質(zhì)重編程事件，事實(shí)上，在哺乳動(dòng)物胚胎植入前發(fā)育過程中，染色質(zhì)重塑對(duì)于表觀遺傳重編程及消除配子特異性信號(hào)以將終末分化的配子轉(zhuǎn)化為全能狀態(tài)至關(guān)重要[34]。

3.1 染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在ZGA過程中的動(dòng)態(tài)變化

在小鼠的受精卵中，三維染色質(zhì)結(jié)構(gòu)大部分缺失，并在植入前發(fā)育過程中逐漸建立，這促進(jìn)了后期胚胎中染色質(zhì)的遠(yuǎn)距離相互作用。受精后，合子基因組發(fā)生整體去甲基化和抑制性組蛋白的減少，與松弛染色質(zhì)相關(guān)的表觀遺傳因子在小鼠受精卵中更為豐富，而與染色質(zhì)壓縮有關(guān)的因子在ZGA期間變得更加普遍，表明在ZGA前胚胎中的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)更為松散[35]。一般而言，小鼠早期胚胎的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征在于染色質(zhì)高度分散[36-37]，不存在異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域和TAD結(jié)構(gòu)域[38-39]，組蛋白乙?；胶腿旧|(zhì)遷移率較高[40-41]；而且?guī)缀跛形锓N中，受精后染色質(zhì)都處于高度松散的狀態(tài)，這種高度松散的染色質(zhì)狀態(tài)為母源轉(zhuǎn)錄提供了獨(dú)特的調(diào)控環(huán)境，這對(duì)于支持major ZGA發(fā)生前的卵裂期胚胎發(fā)育至關(guān)重要。實(shí)際上，去除小鼠受精卵內(nèi)組蛋白H3K9和H3K4去甲基化酶LSD1會(huì)導(dǎo)致異染色質(zhì)過早形成，從而干擾了發(fā)育進(jìn)程，導(dǎo)致胚胎發(fā)育阻滯在2-細(xì)胞階段[38]。最近的研究結(jié)果表明，這種高度松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)有可能與ZGA的某些關(guān)鍵基因(如Zscan4)的表達(dá)相關(guān)[35]，但這種松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)是否是卵裂期胚胎保持全能性所必需的還有待進(jìn)一步探索。

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑的機(jī)制在不同物種中有所不同。如小鼠胚胎中TAD的建立取決于DNA復(fù)制，而人類胚胎中TAD的建立需要ZGA[39,42]。此外，在小鼠初級(jí)卵母細(xì)胞中，TAD和loop結(jié)構(gòu)較弱，沒有經(jīng)典的區(qū)室結(jié)構(gòu)，但是出現(xiàn)了特殊的PAD結(jié)構(gòu)域[36]。 而第二次減數(shù)分裂中期(metaphase Ⅱ，MⅡ)，卵母細(xì)胞因處于減數(shù)分裂中期而呈現(xiàn)均一的染色質(zhì)構(gòu)象，缺乏TAD、PAD和區(qū)室結(jié)構(gòu)[23,39]。 相比之下，小鼠精子既存在TAD，又存在區(qū)室結(jié)構(gòu)[36]，且精子基因組還存在頻繁的超長程相互作用(>4 Mb)和染色體間相互作用[43]。受精后，小鼠胚胎中父母本的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)均迅速解聚，合子染色質(zhì)處于一種高度松散的狀態(tài)，但父母本的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在空間上彼此分離并顯示出明顯的區(qū)室化，這種等位基因的分離和區(qū)室化會(huì)一直保持到8-細(xì)胞階段[44]。與小鼠不同的是，由于染色質(zhì)調(diào)控因子CTCF的表達(dá)水平下調(diào)，人類精子缺乏TAD。但在人類胚胎發(fā)育過程中，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在ZGA前同樣極其松散，且TAD和A/B區(qū)室也是逐漸建立的(圖2)[45]。

圖2 植入前胚胎發(fā)育過程中的動(dòng)態(tài)染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)[45]Fig.2 Dynamic chromatin structures during preimplantation embryo development[45]

Li等[46]利用Hi-C技術(shù)研究豬胚胎植入前發(fā)育過程的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化發(fā)現(xiàn)，相較于小鼠，在豬的早期胚胎中>10 Mb的區(qū)室結(jié)構(gòu)域(即超級(jí)結(jié)構(gòu)域)更為普遍。TAD和A/B區(qū)室結(jié)構(gòu)等染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在豬胚胎植入前發(fā)育過程中逐漸建立，尤其是ZGA之后，且建立的模式與小鼠相似。值得注意的是，在豬的孤雌與孤雄胚胎早期發(fā)育過程中染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)建立的模式與體外受精(IVF)胚胎十分不同，尤其是在ZGA過程中，這些胚胎出現(xiàn)了強(qiáng)烈的去區(qū)室化，且TAD建立的速度也要慢得多，這可能是導(dǎo)致豬胚胎發(fā)育阻滯的原因。

3.2 染色質(zhì)可及性在ZGA過程中的動(dòng)態(tài)變化

染色質(zhì)介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)可能有助于選擇性地調(diào)節(jié)胚胎內(nèi)啟動(dòng)子活性，在確保正常時(shí)空發(fā)育的同時(shí)抑制非必需基因的表達(dá)[12]。對(duì)小鼠早期胚胎發(fā)育研究發(fā)現(xiàn)，小鼠胚胎染色質(zhì)可及性在合子期相較于配子顯著增加，在合子后期降低，然后在2-～4-細(xì)胞期再次增強(qiáng)[32]。 而Wu等[47]利用ATAC-seq技術(shù)研究表明，小鼠早期胚胎發(fā)育過程中染色質(zhì)可及性逐漸增強(qiáng)，且早期胚胎的啟動(dòng)子和轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)染色質(zhì)可及性都較高。除此之外，在minor ZGA時(shí)期，MuERV-L等促進(jìn)ZGA特異性基因表達(dá)的重復(fù)序列有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)錄活性和染色質(zhì)可及性[9,47-48]。與小鼠不同的是，在人類早期胚胎發(fā)育過程中，受精卵染色質(zhì)可及性低于卵子，而胚胎染色質(zhì)可及性從合子期開始降低，直到8-細(xì)胞階段后再次增強(qiáng)，且從胚胎合子期開始父本基因組的染色質(zhì)比母本基因組的染色質(zhì)更加開放，這種狀態(tài)一直維持到4-細(xì)胞期[49]。Oct4和Sox2的結(jié)合基序在人ZGA階段開放的染色質(zhì)區(qū)域上明顯富集，而在小鼠ZGA時(shí)期并不富集。敲低Oct4后，約25%的人ZGA基因表達(dá)下調(diào)，而小鼠的ZGA基因基本不受影響[50-51]。

人和小鼠早期胚胎發(fā)育過程中的染色質(zhì)可及性變化也存在一些共同點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，人2-細(xì)胞期胚胎中存在廣泛的開放染色質(zhì)區(qū)域，這些區(qū)域富集在富含CpG的啟動(dòng)子區(qū)域，而這種啟動(dòng)子區(qū)的提前開放可能與未來的ZGA相關(guān)。某些遠(yuǎn)端非啟動(dòng)子區(qū)染色質(zhì)可及性也較強(qiáng)，然而這些開放染色質(zhì)區(qū)域隨著ZGA的發(fā)生會(huì)大量消失，胚胎細(xì)胞在新的調(diào)控元件上建立開放染色質(zhì)區(qū)域；1-～4-細(xì)胞期胚胎遠(yuǎn)端開放染色質(zhì)區(qū)域傾向于出現(xiàn)在母本基因組特異的DNA低甲基化區(qū)域[52]。在小鼠早期胚胎中，開放染色質(zhì)也常出現(xiàn)在大片低甲基化的部分甲基化區(qū)域(partially methylated domain，PMD)[53]，并常帶有參與抑制轉(zhuǎn)錄的特殊組蛋白修飾H3K4me3(呈非經(jīng)典的寬峰形式)。這些非經(jīng)典的修飾很多位于基因間區(qū)和遠(yuǎn)端區(qū)域，在ZGA后，這種非經(jīng)典H3K4me3修飾被擦除并建立經(jīng)典模式[54]，同時(shí)伴隨著遠(yuǎn)端PMD區(qū)域染色質(zhì)的關(guān)閉，而在增強(qiáng)子區(qū)域重建開放染色質(zhì)區(qū)域，但啟動(dòng)子區(qū)域的開放染色質(zhì)被保留[53]。研究人員提出，這種早期胚胎基因組激活前特有的開放染色質(zhì)區(qū)域可能作為一種特殊的染色質(zhì)海灣暫時(shí)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)錄因子，而在ZGA過程中這些位點(diǎn)被關(guān)閉，轉(zhuǎn)錄因子可以釋放至啟動(dòng)子區(qū)域參與ZGA[52]。這種在人和小鼠胚胎發(fā)育中保守的染色質(zhì)可及性變化規(guī)律對(duì)于早期胚胎的基因組沉默以及隨后發(fā)生的ZGA都具有重要作用。

對(duì)牛胚胎體外培養(yǎng)過程染色質(zhì)可及性變化的研究發(fā)現(xiàn)，早在2-細(xì)胞期，部分開放染色質(zhì)區(qū)域就已經(jīng)出現(xiàn)并一直持續(xù)到桑椹胚時(shí)期。實(shí)際上，在2-和4-細(xì)胞期，持續(xù)的開放染色質(zhì)區(qū)域比階段特異性的開放染色質(zhì)區(qū)域更頻繁地出現(xiàn)在基因組，這些持續(xù)的開放染色質(zhì)區(qū)域富集CTCF結(jié)合位點(diǎn)，可能為major ZGA提供了穩(wěn)定的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)；而在8-細(xì)胞期胚胎中，開放染色質(zhì)富集在與發(fā)育控制相關(guān)的同源盒(homeobox)基因轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)。因此，在早期胚胎發(fā)育過程中，母體和胚胎因素共同為major ZGA建立合適的染色質(zhì)開放狀態(tài)。除此之外，通過比較不同物種胚胎植入前發(fā)育過程中開放染色質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)，與小鼠相比，牛和人的ZGA模式更加相似[55]。對(duì)牛體內(nèi)胚胎植入前發(fā)育過程中染色質(zhì)可及性特征的研究也發(fā)現(xiàn)，2-和4-細(xì)胞期胚胎的染色質(zhì)可及性處于較低的水平，而在8-細(xì)胞期，即major ZGA發(fā)生期間顯著增加[56]。

4 展 望

在早期胚胎發(fā)育過程中，隨著ZGA的發(fā)生，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)總體上變得更加緊湊，能夠?qū)NA結(jié)合蛋白限制在開放染色質(zhì)區(qū)域，而局部染色質(zhì)可及性的增加促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄因子(小鼠胚胎中為Dppa2、Dppa4、Nfy、Dux，人胚胎中為Oct4、Dux4)與DNA相結(jié)合，允許特定基因的轉(zhuǎn)錄[4,50,57-60]。因此，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化和染色質(zhì)可及性的局部改變共同為合子基因組的激活與表達(dá)做好準(zhǔn)備。哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過程中表觀遺傳發(fā)生了劇烈的變化，染色質(zhì)重塑是重要的表現(xiàn)形式，且其他表觀遺傳修飾的重編程與染色質(zhì)重塑過程密切相關(guān)。早期胚胎發(fā)育過程中的表觀遺傳重編程是一個(gè)精確調(diào)控的過程，在轉(zhuǎn)錄因子特異性調(diào)控下，大多數(shù)表觀遺傳標(biāo)記發(fā)生重建。近年來，由于單細(xì)胞高通量測序技術(shù)的發(fā)展，對(duì)植入前胚胎發(fā)育過程中發(fā)生的表觀遺傳變化有了更深的理解，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)錄因子在表觀遺傳模式轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著重要作用，但仍有很多問題目前尚未解決。如目前并不清楚在基因組不同位置上轉(zhuǎn)錄因子如何調(diào)控表觀遺傳重編程，以及這些表觀遺傳修飾如何影響基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。而細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)變需要多種表觀遺傳的協(xié)同調(diào)控，因此，研究哺乳動(dòng)物ZGA過程中染色質(zhì)重塑將為了解細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變和精準(zhǔn)調(diào)控早期胚胎發(fā)育提供新的理論依據(jù)。相關(guān)機(jī)制的揭示可為開發(fā)減少ZGA異常、保障哺乳動(dòng)物早期胚胎正常發(fā)育的技術(shù)措施提供依據(jù)。