上海
哺乳动物 不同物种 的发育速度存在显著差异 ， 这不仅体现在 胚胎 植入后的 妊娠时长各异 ，也反映在 着床 前胚胎启动合子基因组激活（ Zygotic genome activation,ZGA） 的过程 中 。 以 ZGA 发生的 早晚 划分（图1），猪和 小 鼠属于早 ZGA 物种 （ 2-4 细胞期 ZGA ） ，牛 和人 则 属于晚 ZGA 物 种 （ 8-16 细胞期 ZGA ） 。 RNA 聚合酶 II （ RNA polymerase II , Pol II ) 作为转录 事件 的核心酶 ， 通常被转录因 子 （ Transcriptional factors, TFs ） 招募至基因启动子 区域 ，与 其他转录 起始复合物协同启动 基因 转录 。 最近的研究发现，哺乳动物中 Pol II 还可结合 基因组 非编码区域， 影响 增强子 对 靶基因 调控 (Barshad et al. 2023; Li et al. 2016) 。 先前研究 证实了 组蛋白修饰、染色质可及性和 DNA 甲基化等表观状态在配子和胚胎 发育的初始阶段 呈现显著的种间差异，而在 胚胎 ZGA 发生 后趋于保守 和一致， 并提出了 “ 沙漏模型” 作为解释 (Halstead et al. 2020; Lu et al. 2021) 。 然而 这些 染色质 状态 是 如何影响 Pol II 结合 并调控种间 ZGA 的时序差异 ； 以及 Pol II 对 这些物种，特别是 对 晚 ZGA 物种的合子基因组激活的调控 机制 目前尚不清楚 。
图 1. 相对于鼠，牛 ZGA 发生更晚
2025 年 5 月 1 日， 西北农林科技大学张涌院士团队联合任刚教授团队、 华中农业 大学 / 崖州湾国家实验室赵书红教授团队，在Cell Genomics期刊 发表题为Super RNA Pollldomains enhance minor ZGA through 3D interaction to ensure the integrity of major transcriptional waves in late-ZGA mammals的重要研究成果。 该研究绘制了包含Pol II、ATAC、Hi-C、Total-RNA在内的九个维度的牛、猪配子和着床前胚胎的表观和转录图谱。
研究人员 首次发现 在晚 ZGA 物种 牛 胚胎 中 存在 依赖于 Pol II 的三维基因组结构域， 并 将这一特殊结构域命名为 超级 RNA 聚合酶 II 结构域 (Super Pol II domains , SPDs ）。 进一步研究发现 SPDs 通过 增强牛 minor ZGA 基因表达 ，保证 major ZGA 基因正确表达和 胚胎正常发育 。 更重要的是， 在人类胚胎 （ 晚 ZGA 物种 ） 中也观察到类似结构 并发挥功能， 而小鼠和猪 胚胎 （早 ZGA 物种）中并未观察到此现象。 综合分析 发现， SPDs 调控的 minor ZGA 基因 的高表达 促使晚 ZGA 物种在 major ZGA 阶段基因表达模式与早 ZGA 物种趋同，确保 其 major ZGA 转录波的准确开启 和胚胎正常发育 。
图 2. SPDs 通过三维染色质互作增强了晚 ZGA 物种中 minor ZGA 基因 的 表达，促使晚 ZGA 物种在 major ZGA 阶段基因表达模式与早 ZGA 物种趋同，确保了晚 ZGA 物种 major ZGA 转录波的准确开启和胚胎的发生
这项研究揭示了Pol II在不同物种启动ZGA的时间差异中发挥的独特作用，拓展了对不同物种胚胎发育速度差异调控机制的理解，为深入揭示哺乳动物早期胚胎发育速度差异的分子机制提供了重要数据支撑和理论基础。
西北农林科技大学张涌院士、任刚教授， 华中农业大学 / 崖州湾国家实验室赵书红 教授 、赵云霞主任科学家为论文的通讯作者。西北农林科技大学 张景程 博士 、博士生李恒宽、吴杰、宋霖节、李林密 助理实验师 为论文的共同第一作者， 华中农业大学 刘鑫副 研究员 、 中国农业科学院潘章源研究员、 湖南农业大学周川教授、 崖州湾国家实验 室 博士后 胡明阳、 西北农林科技大学博士生 刘自晓、 焦美、 董 震 宇、 张和煦 、 石斌强 和李文莹硕士 等人 也做出了重要贡献。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xgen.2025.100856
制版人： 十一
参考文献
1. Barshad, G., Lewis, J. J., Chivu, A. G., Abuhashem, A., Krietenstein, N., Rice, E. J., Ma, Y., Wang, Z., Rando, O. J., Hadjantonakis, A. K. et al. 2023. RNA polymerase II dynamics shape enhancer-promoter interactions. Ethics declarations Competing interests The authors declare no competing interests.,Nat Genet,55(8):1370-1380.
2. Halstead, M. M., Ma, X., Zhou, C., Schultz, R. M., Ross, P. J. 2020. Chromatin remodeling in bovine embryos indicates species-specific regulation of genome activation. The authors declare no competing interests.,Nat Commun, 11(1):4654.
3. Li, W., Notani, D., Rosenfeld, M. G. 2016. Enhancers as non-coding RNA transcription units: recent insights and future perspectives.Nat Rev Genet,17(4):207-23.
4. Lu, X., Zhang, Y., Wang, L., Wang, L., Wang, H., Xu, Q., Xiang, Y., Chen, C., Kong, F., Xia, W. et al. 2021. Evolutionary epigenomic analyses in mammalian early embryos reveal species-specific innovations and conserved principles of imprinting.Sci Adv, 7(48):eabi6178.
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