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美国宾夕法尼亚大学揭示早期胚胎发育基因组激活的新机制

文章来源: BioArt       发布时间:2019-06-19

2019年6月17日,美国宾夕法尼亚大学的Matthew Good研究组(第一作者为陈辉博士)在Developmental Cell上发表封面文章Spatiotemporal Patterning of Zygotic Genome Activation in a Model Vertebrate Embryo,发现了一种先前未知的合子基因组激活机制,即胚胎的不同细胞中,合子基因组激活分阶段发生,遵循一种独特的空间模式,并且启动基因组激活的决定是由个体细胞而不是整个胚胎完成的。单细胞决策不是由胚胎发育的时间或细胞分裂的数量作出的,而是由每个细胞大小是否达到一个阈值主导的。这项工作首次揭示了胚胎在时间和空间上以及在单细胞水平上基因组被唤醒的机制。


美国宾夕法尼亚大学揭示早期胚胎发育基因组激活的新机制


关于合子基因组激活的机制,可以大体分为三大类假说: “计时器”(timer),“计数器”(counter)和“计量器”(sizer)。 “计时器”(timer)假说认为,胚胎在受精后需要持续一段特定的时间后才开始新的基因表达。“计数器”(counter)假说则认为,胚胎基因组在被激活之前需要完成特定的细胞分裂次数。“计量器”(sizer)假说认为,合子基因组的激活不依赖于时间和细胞周期计数,而是在细胞达到特定大小时开始的,这是由于在胚胎发育早期,胚胎的大小保持不变,而通过不断分裂,细胞越来越小。尽管在不同模式生物中已有大量的实验提示上述各种假说的存在,但是在早期胚胎发育期间,时间、细胞周期和分裂数以及细胞大小等参数之间高度相互关联,使得难以直接验证这些假设。


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为了研究对调控合子基因组激活的新机理,作者使用了一种脊椎动物模式生物非洲爪蟾(Xenopus laevis)的胚胎。这些胚胎的两个独特特征使得它们成为验证上述假说的理想选择。首先,当合子基因组激活时,个体胚胎含有数千个细胞,各个细胞之间的体积大小差异超过100倍,这种细胞大小的异质性使作者能够区分“计时器”(timer)假说和“计量器”(sizer)假说。其次,非洲爪蟾的胚胎适合于物理操作,包括在单细胞阶段改变它们的大小,这使得作者能够区分“计量器”(sizer)假说和“计数器”(counter)假说。


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为验证上述假说,作者需要使用一种新的方法来研究每个细胞内新生RNA的转录情况。作者将含有炔基修饰的尿苷(5-ethynyl uridine, EU)微注射进受精后处于1细胞期的胚胎,对新生RNA组进行代谢标记,以在胚胎内的每个细胞中都可以看到大规模的新生基因转录。新转录的RNA可以通过click chemistry进行标记,这使作者能够区分母体和新生的合子转录物。令人惊讶的是,作者发现在ZGA起始时,胚胎中只有一小部分细胞开始大规模转录,而大部分细胞仍然保持“睡眠状态”。这些活化的少数细胞位于胚胎的顶部,即动物极。随着胚胎持续分裂,越来越多的细胞沿着动物极直到植物极(胚胎底部)开始转录。这种分级激活的模式使作者排除了关于合子基因组激活的“计时器”(timer)假说。


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合子基因组激活的新模式:胚胎内单细胞水平分级激活模式


随后作者发现转录激活和细胞大小之间存在明显的相关性,即直径大于约40微米的细胞不产生或产生极少量的新生RNA,而小于此大小的细胞随着细胞变小新生RNA的转录激活量增加。为进一步证实这一发现,作者使用生化方法从胚胎中分离不同大小的细胞,发现与其他大小的细胞相比,直径小于40微米的细胞积累了更高水平的新生RNA。这些结果提示胚胎中的细胞只有达到临界细胞大小时才开始激活新的转录,支持了“计量器”(sizer)假说。


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细胞大小与合子基因组激活相关性


为了验证改变细胞大小是否足以调节ZGA,作者对处于1细胞期的胚胎进行操纵,以产生体积缩减的微型胚胎。这种方法也使他们能够区分转录调控的“计数器”(counter)假说和“计量器”(sizer)假说。令人惊讶的是,作者发现与正常胚胎中的细胞相比,微型胚胎中的细胞更早地启动转录,而且ZGA过早启动的程度与胚胎体积及其细胞体积的减少成正比。这些结果表明,细胞大小足以以剂量依赖性的方式调节ZGA,支持了“计量器”(sizer)假说,同时排除了“计时器”(timer)假说和“计数器”(counter)假说。这是迄今为止第一个直接证据表明细胞大小是早期胚胎发育过程中基因组激活的主要调节因子。


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细胞大小直接调节合子基因组激活


总之,该研究发现了合子基因组激活的新型机制,阐明了细胞本身的大小对基因表达的作用。这项研究的结果具有重要意义。首先,启动ZGA的决定是在个体细胞水平上进行的,而不是整个胚胎,这有助于从新的层面了解胚胎发育的机理。其次,在同一胚胎内,不同细胞的基因组分级激活的新模式,为早期胚胎发育基因调节提供了新的见解。最后,进化过程中选择细胞大小作为控制胚胎发育中关键转变的调节机制,这种范例可以扩展到细胞大小不同的其他生物学领域。


关于合子基因组激活


在受精后,胚胎的基因组处于“睡眠模式”,即没有新的基因表达。在经过一段时间后,胚胎基因组被“唤醒”,开始同时表达成百上千个基因。这种胚胎基因组觉醒的现象被称为合子基因组激活(zygotic genome activation, ZGA)。这一现象是胚胎由母体控制转交给合子控制的过渡性标志。尽管不同物种的合子基因组激活在时间上存在很大差异,但它在几乎所有的多细胞动物和植物中都存在。胚胎基因组是如何被唤醒的,以及胚胎如何从母体控制转变为合子控制是发育生物学中的一个基本问题。

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