推翻前论，人类胚胎基因组早在受精后的单细胞阶段发生转录激活

撰文 | Qi

受精后新形成的胚胎中第一次转录被称为胚胎基因组激活（embryonic genome activation, EGA），但对其启动时间和特征仍知之甚少【1】。在人类胚胎中，EGA被认为在受精后长达约68小时的8细胞阶段发生【2-4】，然而，这一结论并没有完整有力的证据支撑，仍有许多问题有待解释，比如说：1）尽管先前的分析受较差的信噪比、胚胎样本数量少等问题的限制，仍有线索提示转录于更早时间点进行，但这些线索被忽视掉了；2）胚胎基因组如何在细胞增殖到8细胞阶段期间保持转录沉默状态？3）早期发育所需的母体因子活性如何在没有内源性转录的情况下在前2到3个细胞周期的不同阶段受到调节？4）该结论没有指出究竟是什么信号引起转录在8细胞阶段才启动？因此，需要进一步评估人类EGA其他可能性。

2021年12月21日，来自英国巴斯大学的Anthony C.F. Perry团队、剑桥大学的Giles S.H. Yeo团队和美国奥斯汀胚胎学和男科学实验室的Matthew D. VerMilyea团队在Cell Stem Cell杂志上合作发表了一篇题为Human embryonic genome activation initiates at the one-cell stage 的短文，研究推翻了之前的说法，通过高分辨率scRNA-seq揭示基因首次在人类胚胎中的转录行为发生在受精后不久后的单细胞阶段，而在单原核（monopronuclear, 1PN）和三原核（3PN）的异常单细胞胚胎中遭到破坏。研究指出基因激活反应了早期胚胎发育过程，并能预测与癌症相关转录调节因子的联系。

为了确定人类单细胞胚胎的基因表达谱并将其与发育联系起来，研究人员首先对来自不同种族背景的人类MII期卵母细胞和正常的2PN单细胞胚胎进行scRNA-seq。与MII卵母细胞相比，2879个差异表达基因中的1557个在单细胞胚胎中的表达水平降低，反映了母体转录本降解，剩余的1322个基因显示表达增加。此外，研究人员发现在单细胞胚胎的外显子连接处剪接的成熟mRNA转录物水平增加，说明人类EGA早在单细胞胚胎中就已发生且能产生规范剪接的mRNA 转录本。

接下来，研究人员将上述数据与已被用于基因组编辑研究的3PN单细胞胚胎中的表达上调转录本进行比较，在用于评估的14个在2PN单细胞胚胎中上调的基因中有12个显示在3PN异常单细胞胚胎中降低，10个显示在1PN异常单细胞胚胎中表达较低。上调的差异表达基因的IPA（Ingenuity Pathway Analysis）表明这些基因功能对应于2PN胚胎的发育过程，包括诱导G2期/M期停滞以响应DNA损伤的ATM激活【5】，保护性氧化还原依赖系统等。IPA预测的EGA启动的反式激活因子包括MYC、MYCN、FYN和E2F4等。由此可见，单细胞阶段的转录是有功能的，上调的转录本不仅显示与早期胚胎过程相关，还与癌症调节相关。

总的来看，这项研究指出在受精后不久转录行为就发生了，而非在受精后3天左右的8细胞阶段。单细胞阶段的转录起始具有临床意义，亲本遗传的表观遗传标记，比如与获得性致肥性状相关的标记可能在受精后立即影响基因表达，在评估3PN胚胎的基因组编辑时也需要考虑到那些已被破坏的基因表达以具备临床效用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.11.012

制版人：十一

参考文献

1. Jukam, D., Shariati, S.A.M., and Skotheim, J.M. (2017). Zygotic genome activation in vertebrates. Dev. Cell 42, 316–332.

2. Braude, P., Bolton, V., and Moore, S. (1988). Human gene expression first occurs between the four- and eight-cell stages of preimplantation development. Nature 332, 459–461.

3. Leng, L., Sun, J., Huang, J., Gong, F., Yang, L., Zhang, S., Yuan, X., Fang, F., Xu, X., Luo, Y., et al. (2019). Single-cell transcriptome analysis of uniparental embryos reveals parent-of-origin effects on human preimplantation development. Cell Stem Cell 25, 697–712.e6.

4. Tesarı´k, J., Kopecny´, V., Plachot, M., and Mandelbaum, J. (1988). Early morphological signs of embryonic genome expression in human preimplantation development as revealed by quantitative electron microscopy. Dev. Biol. 128, 15–20.

5. Wang, B., Li, Z., Wang, C., Chen, M., Xiao, J., Wu, X., Xiao, W., Song, Y., and Wang, X. (2013). Zygotic G2/M cell cycle arrest induced by ATM/Chk1 activation and DNA repair in mouse embryos fertilized with hydrogen peroxidetreated epididymal mouse sperm. PLoS One 8, e73987.

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