上海
主要合子基因组激活（ Major Zygotic Genome Activation,ZGA）是 哺乳动物 早期胚胎发育过程中的里程碑式事件， 对于 胚胎 自身 发育程序 的 启动以及 内源全能性网络的建立 至关重要 。 在人类胚胎发育过程中，主要 ZGA 发生于 8 细胞期。受限于 人类胚胎 的稀缺性，当前对人类主要 ZGA 的了解，特别是其背后的转录调控机制理解极为有限。转录因子（ Transcription factor,TF）是一类能结合基因组特定 DNA 序列的调控因子，在转录调控中起到重要作用。然而，当前人类转录因子调控主要 ZGA 的研究主要基于对胚胎组学数据的分析预测以及特定基因的功能验证。如何系统性、高通量地研究转录因子对人类主要 ZGA 的调控作用，是人类主要 ZGA 调控机制研究亟待解决的重要问题之一。
为解决这一问题，近日北京大学基础医学院徐君、邓宏魁课题组与北京大学人民医院陈曦、中科院生物物理研究所朱冰、中科院动物研究所韩春生课题组合作，在 Cell Reports 杂志发表了题为
CRISPR-based activation screening identifies the role of KRAB-containing transcription factors ZIM3 and ZNF394 in human major zygotic genome activation的研究 论 文。该研究通过 针对 1 603 个人类转录因子开展的 CRISPR 激活筛选，系统地鉴定了能在体外激活人类主要ZGA分子特征的转录因子，发现其中具有KRAB结构域的ZIM3ZNF394能够在体外显著激活人类主要ZGA调控网络，并在人类3PN胚胎体系上证实了这两个因子对于人类早期胚胎发育的影响。该研究同时发现，与此前研究发现的ZGA调控因子不同，ZIM3ZNF394可能通过抑制人类4细胞胚胎期基因表达的方式参与主要ZGA调控
该研究首先在人扩展多能干细胞（ Human Extended Pluripotent Stem Cell, hEPSC ）中建立起了一套可诱导的 CRISPR 激活体系，并以人类 主要 ZGA 与细胞全能性的标志基因 DUXA 的激活 表达作为富集条件，针对 1603 个人类转录因子进行了无偏倚的基因激活筛选 。研究发现了 126 个未被报道的 可激活 D UXA 的转录 因子，其中的 30 个转录因子 均 具有 KRAB 结构域 。
含 KRAB 结构域的转录因子 （ K RAB - 转录因子）是一类经典的 转录抑制 调控因子，为了研究筛选发现的 K RAB - 转录因子是否通过其转录抑制作用来 调控 主动 Z GA ， 作者 重点关注了 其中的 ZIM3 与 ZNF394 ： 在 所有筛选发现的 靶点中 ， 这两个 K RAB - 转录 因子 在人类 8 细胞 胚胎 期 显著高表达 。体外过表达实验发现，在 hEPSC 中过表达 ZIM3 与 ZNF394 可以激活 人类 8 细胞 胚胎 特异性基因的表达，且使细胞在表观遗传层面呈现出一定的 人类 8 细胞 胚胎 特征。 进一步整合分析已报道的体外诱导人 8 细胞样细胞的 转录组 数据发现：这些细胞中存在少量的 ZIM3 / ZNF394 双阳性细胞 群，该亚群与人类 8 细胞胚胎在 转录组 层面更为相似。
为了分析 ZIM3 与 ZNF394 对于人类早期胚胎发育的影响 ，作者利用 人类 3PN 胚胎 开展了研究 ，发现 同时敲低 ZIM3 与 ZNF394 后，胚胎发育会发生明显的减缓 ：与发育至 8 细胞 期的 对照 胚胎相比， ZIM3 与 ZNF 394 双敲低胚胎 在 转录组 层面 更 接近 4 细胞 期 胚胎， 主要 Z GA 分子特征显著丢失， 且卵裂球数量相较于对照组更少， 这些结果提示 ZIM3 与 ZNF394 对于 人类 胚胎的正常发育与 主要 Z GA 调控 起到了 重要 作用。
机制层面，通过构建 KRAB 结构域 缺失的 ZIM3 与 ZNF394 突变体 ，作者 发现 ： KRAB 缺失突变体 的体外 过表达 几乎 不 激活主要 Z GA 的分子特征，提示 KRAB 结构 域 对于 ZIM3 与 ZNF394 介 导的主要 ZGA 调控至关重要 。 此外，通过对 已报道的 ZIM3 与 ZNF394 ChIP -seq 数据 的分析发现， ZIM3 与 ZNF394 可以结合到 部分 人类 4 细胞期特异性 表达 基因 的启动子序列上。通过对 ZIM3 / ZNF394 体外过表达 的 ATAC-seq 、 C UT&RUN 数据 以及 Z IM3 与 ZNF394 下游潜在靶点的功能性验证，作者证实 ZIM3 与 ZNF394 可能通过 对部分 人类 4 细胞 期 特异性基因的抑制性 调控 ，来实现对于主要 Z GA 分子特征的激活 。
此外， 通过 生信预测 分析 发现 ：在人类8细胞胚胎阶段特异性表达的其他KRAB-转录因子，可能同样具备结合调控人类4细胞期胚胎特异性基因的能力，且这种现象在人、猴早期胚胎发育中可能具有保守性。该研究提示了KRAB-转录因子可能介导了一种新的主要ZGA调控机制，研究的CRSIPR激活筛选结果为未来ZGA以及细胞全能性的研究提供了重要的资源与参考。
北京大学 李佳宇博士 （ 现剑桥巴布拉罕研究所博士后 ） 、 欧洲分子生物学实验室博士后谢良福 、 北京大学人民医院副研究员石程 、 中科院生物物理 研究所 张甜甜 博士 、 中科院动物 研究 所 工程师 林羲雯为本研究的共同第一作者，北京大学徐君研究员、邓宏魁教授 、 北京大学人民医院陈曦副教授 、 中科院生物物理 研究所 朱冰 研究员 、 中科院动物 研究 所 韩春生研究员为本研究的共同通讯作者。
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116015
制版人： 十一
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