Foxi2和Sox3是主要的转录调控因子，它们在非洲爪蟾（Xenopus）中控制外胚层生殖细胞的特异性分化

《PLOS Biology》：Foxi2 and Sox3 are master transcription regulators that control ectoderm germ layer specification in Xenopus

两栖动物外胚层发育的关键母源转录因子Foxi2和Sox3通过预结合调控模块（CRMs）并协同招募Ep300，驱动H3K27ac表观修饰积累，形成外胚层超级增强子（SEs），确保基因表达稳定性和特异性分化。

　　在生命科学领域，细胞命运的决定是胚胎发育过程中至关重要的环节。细胞从多能性状态逐渐分化为特定的细胞类型，这一过程涉及复杂的调控网络，其中包括转录因子（TFs）和表观遗传修饰的协同作用。本文探讨了在非洲爪蟾（*Xenopus laevis*）中，母源性转录因子Foxi2和Sox3在胚胎早期对表皮（ectoderm）细胞谱系的调控作用。通过一系列实验和分析，研究者揭示了Foxi2和Sox3在表皮命运形成中的关键角色，以及它们如何通过预先结合到特定的调控元件（CRMs）来影响基因表达和表观遗传景观的塑造。

### 1. 胚胎发育中的细胞命运决定

在胚胎发育过程中，多能性细胞通过一系列动态过程逐渐分化为不同的细胞谱系。这一过程涉及基因表达模式的改变，以及表观遗传修饰的建立。在非洲爪蟾中，胚胎发育早期的基因组相对“原始”（epigenetically na?ve），缺乏显著的组蛋白修饰，如H3K27ac、H3K27me3和H3K4me1。这些修饰通常与活跃的增强子相关，它们在胚胎发育的特定阶段开始出现，尤其是在囊胚期（blastula stage）和囊胚形成期（gastrulation）期间。这些修饰不仅影响基因的转录活性，还在细胞谱系的形成中起到关键作用。

为了研究表皮和内胚（endoderm）基因在基因组上的表观遗传状态，研究者利用单细胞RNA测序（snRNA-seq）技术，对囊胚期（stage 10.5）的胚胎进行分析。结果表明，表皮和内胚的基因在表观遗传修饰上有显著差异。例如，表皮基因在表皮组织中被H3K27ac修饰标记，而在内胚组织中则表现出H3K27me3的显著富集。这种差异表明，不同的细胞谱系可能通过不同的表观遗传机制来调控其基因表达。

### 2. Foxi2和Sox3的调控作用

Foxi2和Sox3被鉴定为表皮谱系的关键调控因子。它们在胚胎早期阶段就表现出高度的表达，并且在表皮组织中富集。研究者通过在内胚细胞中过表达这些因子，发现它们能够诱导表皮标记基因的表达，同时抑制内胚和中胚（mesoderm）相关基因的表达。这表明Foxi2和Sox3在细胞谱系决定中起着“主调控因子”（master regulators）的作用。

进一步的转录组分析显示，Foxi2和Sox3能够共同和独立地调控数百个表皮目标基因。这种调控作用不仅限于基因表达的启动，还包括对基因活性的维持和增强。研究者发现，Foxi2和Sox3在胚胎早期阶段就预先结合到表皮基因的调控元件上，这种结合在ZGA（zygotic genome activation）之前就已经发生，为后续的基因激活和表皮谱系形成奠定了基础。

### 3. 胚胎早期的表观遗传修饰

研究者通过染色质免疫沉淀（ChIP）技术，分析了Foxi2和Sox3在胚胎发育不同阶段的结合情况。在早期囊胚阶段，Foxi2和Sox3结合的调控元件（CRMs）中，H3K27ac和H3K4me1等激活性修饰开始积累，而H3K27me3等抑制性修饰则在内胚组织中更为显著。这种修饰的动态变化表明，Foxi2和Sox3在调控基因表达时，能够通过激活性修饰的富集，促进表皮基因的表达，同时通过抑制性修饰的排除，防止内胚基因在表皮组织中被错误激活。

在更早的64细胞阶段，研究者发现Foxi2和Sox3已经结合到一些关键的调控元件上，这些元件后来在表皮基因的激活过程中起着重要作用。例如，一些与感觉芽（sensory placodes）形成相关的基因，如*eya1*和*six1*，在Foxi2和Sox3的调控下，能够被激活并维持其表达。这种提前结合的机制，使得这些调控元件在ZGA时能够迅速响应，并启动相应的基因表达程序。

### 4. 超增强子（SEs）的形成与基因表达的稳定性

研究者进一步分析了Foxi2和Sox3结合的调控元件是否与超增强子（super-enhancers, SEs）有关。SEs是基因组中高度富集转录因子和共激活因子的区域，它们在基因表达中起着核心作用。通过表观遗传标记的分析，研究者发现Foxi2和Sox3结合的调控元件与SEs高度相关，尤其是在表皮组织中。

此外，研究者还发现，这些SEs能够显著提高基因表达的稳定性，降低基因表达的“噪音”（transcriptional noise）。这表明，Foxi2和Sox3不仅通过结合调控元件来激活基因，还通过与共激活因子（如Ep300）的协同作用，确保这些基因在表皮谱系中持续表达。这种调控机制可能对维持表皮细胞的发育稳定性和细胞命运的精确性至关重要。

### 5. Foxi2和Sox3在表皮谱系中的功能分工

研究者通过敲低（knockdown）和过表达实验，进一步揭示了Foxi2和Sox3在表皮发育中的功能分工。Foxi2和Sox3不仅能够共同调控一些基因，还各自负责调控不同的基因集合。例如，Foxi2主要调控与表皮形成相关的基因，如*dlx5*、*krt70*和*tp63*，而Sox3则更多地调控与神经发生（neurogenesis）相关的基因，如*neurog3*、*zic3*和*zic4*。这种独立和协同的调控方式，使得表皮谱系能够精确地形成不同细胞亚型，如神经板（neural plate）、神经板边界（neural plate border）和非神经表皮细胞。

此外，研究者还发现，Foxi2和Sox3的结合不仅影响基因的表达水平，还影响其表达的稳定性。通过单细胞RNA测序数据的分析，他们发现这些基因在不同表皮亚型中的表达模式具有显著差异，这可能与不同细胞亚型的表观遗传状态有关。

### 6. 其他调控因子的作用

除了Foxi2和Sox3，其他调控因子也可能在表皮细胞的分化中发挥作用。例如，Grainyhead-like（Grhl）转录因子在表皮发育中具有重要作用。研究者发现，Grhl1在表皮中具有母源性表达，而Grhl2和Grhl3则在囊胚期开始表达，并在表皮的不同亚型中发挥作用。这些转录因子可能通过与Foxi2和Sox3的协同作用，进一步细化表皮细胞的分化路径。

此外，研究者还提出了可能参与表皮细胞分化的其他因子，如Prkci（也称为aPKC）和Mark3。Prkci在表皮细胞的外层（superficial ectoderm）中富集，而Mark3则在内层（inner ectoderm）中起作用。这些因子可能通过调控细胞膜结构和细胞极性，影响表皮细胞的分化和定位。

### 7. 表观遗传调控的动态变化

在胚胎发育过程中，表观遗传修饰的动态变化对于细胞命运的决定至关重要。研究者发现，在囊胚期，Foxi2和Sox3结合的调控元件中，H3K27ac和H3K4me1等激活性修饰的积累，使得这些区域能够成为超增强子（SEs）的一部分。这些SEs不仅能够促进基因的高表达，还能够通过抑制性修饰的减少，确保基因在特定细胞谱系中的稳定表达。

相比之下，内胚中某些调控元件虽然也结合了Ep300，但它们的H3K27ac和H3K4me1修饰较少，而H3K27me3的富集更为显著。这表明，Foxi2和Sox3在表皮中可能通过不同的表观遗传机制，确保基因表达的精确调控。

### 8. 胚胎发育的动态调控网络

在胚胎发育过程中，基因表达和表观遗传修饰的调控是一个动态的过程。Foxi2和Sox3作为母源性转录因子，能够在早期阶段结合到关键的调控元件上，为后续的基因激活和细胞谱系形成做好准备。这种预先结合的机制，使得在ZGA发生时，这些调控元件能够迅速启动基因表达程序，从而确保细胞命运的正确决定。

此外，研究者还发现，Foxi2和Sox3在表皮中的结合不仅影响基因的表达，还影响其表达的时空分布。例如，在囊胚期，这些调控元件的结合与特定的细胞亚型（如神经板和非神经表皮）相关，这可能为细胞命运的分型提供分子基础。

### 9. 未来研究方向

尽管本文已经揭示了Foxi2和Sox3在表皮发育中的关键作用，但仍有许多问题需要进一步探索。例如，这些转录因子如何与表皮细胞中的其他调控因子相互作用？它们是否在不同物种中具有保守的调控机制？此外，表皮细胞的分化是否还受到其他表观遗传修饰的影响？

研究者提出，未来的工作可以结合单细胞转录组学和表观遗传学分析，进一步揭示Foxi2和Sox3在表皮细胞分化中的具体作用机制。同时，他们也计划研究其他调控因子，如Grhl1、Grhl2和Grhl3，以及Prkci和Mark3，以全面理解表皮细胞分化的调控网络。

### 10. 研究的意义与应用前景

这项研究不仅加深了我们对表皮细胞分化机制的理解，还为再生医学和细胞重编程提供了重要的理论依据。通过揭示Foxi2和Sox3在胚胎发育中的关键作用，研究者为未来开发更高效的细胞重编程策略提供了可能的靶点。此外，这些发现也为理解不同细胞谱系的形成机制提供了新的视角，有助于揭示细胞命运决定的分子基础。

总的来说，Foxi2和Sox3作为母源性转录因子，在非洲爪蟾的表皮发育中起着核心作用。它们通过预先结合到关键的调控元件上，促进基因的表达和表观遗传修饰的积累，从而确保表皮细胞谱系的正确形成。这些发现不仅有助于我们理解胚胎发育的基本原理，还可能为未来的生物医学研究提供重要的参考和应用价值。