Cell Research丨姚红杰团队揭示R-loop调控哺乳动物合子基因组激活的分子机制

胚胎发育是一个高度协调的时空编程过程，其中母源-合子转换（MZT）是启动个体发育的第一个关键转折点。在这一过程中，合子基因组激活（ZGA）如何被精确调控，一直是发育生物学的重要科学问题。R-loop是由RNA:DNA杂合链和一条单链DNA组成的三链核酸结构，广泛存在于原核生物和真核生物基因组中，在转录和表观遗传调控中扮演多重角色，但其在哺乳动物早期胚胎发育和细胞全能性中的功能与调控机制仍然未知。

2026年1月9日，广州实验室姚红杰课题组在Cell Research在线发表了题为R-loops orchestrate RNAPII transcriptional reprogramming for the maternal-to-zygotic transition的研究论文。该研究系统揭示了R-loop在小鼠着床前胚胎发育的动态变化规律与重要功能，发现了一类新型的“CG-poor R-loops”扮演着 “发育计时器” 的关键角色，通过精准调控RNA聚合酶II（RNAPII）的“暂停-释放”转换，保障了ZGA基因在正确的时间被激活，从而确保了MZT和胚胎发育的顺利进行。

姚红杰课题组前期与合作者运用传统S9.6抗体的R-loop检测方法揭示了R-loop在干细胞多能性诱导中必不可少（BIOART:），然而该方法存在检测灵敏度不足的问题。为了突破这一瓶颈，姚红杰团队近期开发了不依赖抗体或蛋白富集的高分辨率R-loop检测技术RIAN-seq（BIOART:）。为了阐明R-loop在哺乳动物早期胚胎发育中的作用，研究团队进一步对RIAN-seq技术进行了微量化，系统研究了小鼠配子及植入前胚胎发育全程的R-loop动态变化规律。研究发现，早期胚胎中的R-loops可根据其序列特征分为两大类：CG-rich R-loops 和 CG-poor R-loops。CG-rich R-loops 在不同发育阶段间相对稳定、时期共享程度高；而CG-poor R-loops则表现出显著的时期特异性。在ZGA时期，ZGA基因的启动子区富集CG-poor R-loops，且不受转录抑制的影响，表明CG-poor R-loops并非转录伴随产生的，而是预先设立在关键基因启动子上的主动调控元件。

为了探究R-loop对早期胚胎发育的影响，研究团队通过过表达RNase H1来全局性清除R-loops，发现消减 R-loops导致大部分胚胎发育停滞在1细胞到8细胞阶段，囊胚形成率显著下降，约47.5%的ZGA基因激活被抑制，同时40.7%的母源转录本降解被显著延迟。运用dCas9-RNase H1系统精准去除特定ZGA基因启动子上不同类型的R-loops，研究人员发现消减CG-poor R-loops导致靶基因表达水平显著降低，而消减CG-rich R-loops则对基因表达没有影响。这表明CG-poor R-loops对激活ZGA基因是必要的，其丢失是导致胚胎发育缺陷的重要原因。

研究团队发现，消减R-loops导致RNAPII在ZGA基因启动子上的富集下降。在晚期2细胞之前，RNAPII在ZGA基因上处于暂停状态；而R-loops丢失导致RNAPII过早离开启动子区并提前释放，最终导致转录效率低下和基因表达下调。RNAPII的C端结构域第2位丝氨酸磷酸化修饰（RNAPII S2p）是RNAPII从暂停状态进入延伸状态关键标志。研究团队揭示，消减R-loops使合子以及早期2细胞阶段胚胎中的RNAPII S2p水平在ZGA基因上过度磷酸化，导致RNAPII提前释放；而到了本应激活的晚期2细胞阶段，释放的RNAPII及S2p磷酸化水平限制在较低水平，使RNAPII无法建立有效的转录延伸。

通过质谱数据联合分析，研究团队发现RNAPII S2p的相互作用蛋白组中显著富集了R-loop解旋酶DDX21。在ZGA前期，CG-poor R-loops以竞争性结合的方式抑制了DDX21的解旋酶活性，阻止转录延伸关键因子CDK9的释放，从而将RNAPII 及S2p的磷酸化限制在较低水平，确保RNAPII在启动子上安稳“待命”。等到发育时钟走到晚期2细胞阶段，随着R-loops被适时地消减，DDX21被释放，进而释放CDK9，触发RNAPII S2p的大规模磷酸化和高效的暂停释放，最终实现ZGA基因的爆发式转录和胚胎的正常发育。

R-loop调控ZGA的模式图。

综上所述，这项研究确立了R-loop作为RNAPII进程直接调控者的关键身份：R-loop的CG含量编码了功能指令，通过指导RNAPII跨越发育检查点，调控基因表达的时序保真性。更重要的是，该研究发现了CG-poor R-loops这一类在早期胚胎中具有特定功能的R-loop亚型作为调控元件，精确调控早期胚胎发育中母源程序退出与合子程序快速激活。

姚红杰课题组的副研究员李尧益博士、中国科学院广州生物医药与健康研究院博士生李清同学和王新秀同学为论文共同第一作者，姚红杰研究员为本文通讯作者；同济大学高绍荣院士和陈嘉瑜教授，中国科学院广州生物医药与健康研究院潘光锦研究员、安徽医科大学张玲玲教授以及广州实验室吴光明研究员给予本研究重要帮助。

原文链接：doi.org/10.1038/s41422-025-01208-2

姚红杰课题组主要从事表观遗传在干细胞命运决定和肺癌发生发展的机制研究，先后主持了国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划项目、国自然重点项目和联合基金重点项目、广州实验室专项等国家级项目，研究成果先后发表在

Cell Stem Cell、Molecular Cell、Cell Research、Nature Communications、Science Advances、EMBO Journal

岗位1：博士后（肺癌机制研究与细胞治疗方向），需求人数：2-3人

岗位2：博士后（干细胞命运调控与胚胎发育机制方向），需求人数：2-3人

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联系方式：yao_hongjie@gzlab.ac.cn

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