H3K4甲基化预先标记染色质是合子基因组准确激活与胚胎正常发育的关键

《Nature Communications》：Pre-marking chromatin with H3K4 methylation is required for accurate zygotic genome activation and development

本研究揭示了在非洲爪蟾早期胚胎中，组蛋白修饰H3K4me3在配子、转录沉默的合子基因组激活(ZGA)前胚胎以及ZGA期胚胎的相同基因组位点持续存在。研究人员发现，这种“预先标记”对于确保ZGA的准确进行和后续胚胎发育至关重要，并证明H3K4甲基转移酶Cxxc1在此过程中发挥关键作用。该发现为理解表观遗传记忆在生命起始阶段的作用提供了新视角。

　　

在生命起始的神秘时刻，一个根本性的生物学事件——合子基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）发生了。此前，胚胎发育完全依赖母源提供的物质。ZGA如同胚胎发育的“开机键”，启动了胚胎自身基因的表达程序。然而，一个长期悬而未决的问题是：在ZGA发生前的多次快速细胞分裂过程中，基因组整体处于转录沉默状态，那些预示着基因即将被激活的染色质标记，特别是活跃的组蛋白修饰如H3K4三甲基化（H3K4me3），是否已经存在？如果存在，它们是从何而来，又对ZGA和胚胎发育有何功能？以往的观点认为，H3K4me3等活跃标记与持续的转录活动紧密偶联，在转录沉默的早期胚胎中可能不存在或需要重新建立。挑战这一传统认知，并深入探索表观遗传信息在配子与胚胎间传递的机制，是发育生物学领域的前沿课题。

为了解决这些问题，由Eva Hormanseder和Meghana S. Oak领导的研究团队利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎模型，开展了一项深入研究。他们的研究成果表明，H3K4me3确实在ZGA前就已预先标记在特定基因的启动子区域，并且这种标记对于准确的ZGA和成功的胚胎发育是不可或缺的。相关论文已于2025年发表在《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

研究人员综合运用了多种关键技术来揭示H3K4me3在早期胚胎中的动态和功能。他们通过质谱分析系统检测了早期胚胎染色质上的组蛋白修饰。利用染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）、甲基化DNA捕获测序（MBD-seq）和靶向DamID的染色质可及性分析（CATaDa）等技术，在全基因组范围内绘制了H3K4me3、DNA甲基化（DNAme）和染色质可及性的图谱。研究还涉及功能性实验，通过显微注射mRNA（如H3K4去甲基化酶Kdm5b和显性阴性突变体H3.3K4M）并结合 Auxin 诱导降解系统，在特定时间窗口（ZGA前）内可逆地降低H3K4me3水平。此外，使用反义吗啉寡核苷酸（asMO）敲低H3K4甲基转移酶Cxxc1和Kmt2b，以及RNA测序（RNA-seq）、CUT&RUN、免疫印迹和免疫荧光等技术，共同阐明了H3K4me3的功能及其调控机制。研究所用非洲爪蟾胚胎通过体外受精获得。

研究结果

与活跃染色质相关的组蛋白修饰在ZGA前的早期胚胎中存在

研究首先证实，在转录沉默的256细胞期（ZGA前）胚胎的染色质上，确实存在包括H3K4me1/2/3、H3K9ac和H3K27ac在内的多种活跃组蛋白修饰，而H3K36me3等与转录延伸密切相关的修饰则未被检测到。即使使用α-amanitin抑制RNA聚合酶II和III的转录活性，H3K4me3水平仅部分降低，表明大部分H3K4me3在ZGA中期胚胎中的存在是转录非依赖性的。这证明在快速分裂且转录沉默的早期胚胎染色质上，活跃的组蛋白修饰可以通过不依赖于持续转录反馈的机制得以维持。

ZGA前胚胎中H3K4me3标记的启动子处于独特的染色质构象

基因组水平分析显示，在ZGA前胚胎中，H3K4me3标记的启动子区域呈现出DNA低甲基化、高CpG含量和较高的染色质可及性特征。通过聚类分析，研究者发现这些启动子主要分为两类：一类兼具高可及性、DNA低甲基化和高CpG含量；另一类则虽然可及性稍低，但同样具有DNA低甲基化和高CpG含量的特点。这表明即使在全局转录沉默的背景下，H3K4me3标记的启动子也保持着独特的、易于激活的染色质环境。

具有高H3K4me3强度和宽度的基因在配子和早期胚胎中共享

通过比较配子（精细胞、精子）、ZGA前胚胎和ZGA期胚胎的H3K4me3图谱，研究者发现75%的H3K4me3启动子峰在所有四个时间点都是共享的（SHARED组）。这些共享的H3K4me3域表现出更高的峰强度和宽度。基因本体（GO）分析显示，SHARED组基因富集于看家功能，而主要在ZGA阶段获得H3K4me3的基因（GAINED组）则与胚胎发育等过程相关。SHARED组启动子在ZGA前胚胎中具有更高的染色质可及性、更低的DNA甲基化和更高的CpG含量。

H3K4me3在中间的沉默窗口期标记在配子和ZGA中均表达的基因

研究者根据基因表达模式将基因分为几组：在配子和合子中均表达的基因（Gamete+Zygotic, GZ）、仅在配子中表达的基因（Gamete-Specific, GS）和仅在合子中表达的基因（Zygote-Specific, ZS）。分析发现，GZ基因的启动子在所有检测时间点（包括转录沉默的ZGA前阶段）都表现出最高强度的H3K4me3信号。超过80%的GZ基因与SHARED组重叠，且这些基因的启动子具有前述的活跃染色质特征。这表明H3K4me3可能在转录沉默期帮助维持这些基因的“待命”状态，使其在ZGA时能被快速激活。

预先标记H3K4me3的基因在ZGA早期表达

对合子基因按首次检测到转录本的时间（6-9小时受精后，hpf）进行分组发现，最早在6 hpf表达的基因显著与SHARED组和GZ组相关。这些早期表达基因的启动子在ZGA前就具有高H3K4me3强度、高CpG密度、低DNA甲基化和高可及性。而较晚表达的基因（7-9 hpf）则与ZS组和GAINED组关联更密切。这提示启动子区域的H3K4me3预先标记有助于基因在ZGA开始时被快速且早期地激活。

早期胚胎分裂期间的染色质H3K4me3标记是正常ZGA所必需的

为了验证H3K4me3预先标记的功能，研究者设计了一个巧妙的“时间窗口”扰动实验。他们通过共同过表达H3K4去甲基化酶Kdm5b和显性阴性H3.3K4M突变体，并利用Auxin诱导降解系统，特异性地在受精后到ZGA前（“窗口”处理）或持续整个早期发育（“持续”处理）的阶段降低H3K4me3水平。RNA-seq分析显示，即使是短暂的“窗口”扰动，也足以导致在ZGA阶段（7.5 hpf）大量合子基因（特别是SHARED组和GAINED组基因）的表达下调。值得注意的是，对ZGA至关重要的转录因子Pou5f3.2的表达在“窗口”处理中也受到显著抑制。此外，短暂的H3K4me3降低也会导致胚胎发育缺陷和致死率增加，证明ZGA前的H3K4甲基化对于成功的发育是必需的。

Cxxc1协助转录非依赖性的H3K4me3沉积和合子基因表达

机制上，研究者发现H3K4甲基转移酶Cxxc1（及其可能的同源物Kmt2b）在早期胚胎中表达。敲低Cxxc1或Kmt2b会导致胚胎全局H3K4me3水平下降，并引起合子基因（特别是SHARED组和GAINED组基因）在ZGA时的表达异常，同时伴随胚胎发育畸形和存活率下降。这部分结果将H3K4me3的读写机制（Cxxc1通过其CXXC结构域识别CpG岛并招募甲基转移酶）与早期胚胎中H3K4me3的维持和ZGA的准确执行直接联系起来。

结论与意义

这项研究有力地证明了H3K4me3在非洲爪蟾早期胚胎发育中作为一种重要的“预先标记”机制存在。它能够在配子中建立，并在一段转录沉默期内持续存在于特定的基因启动子区域，这些区域通常具有高CpG含量、DNA低甲基化和较高的染色质可及性。这种预先标记并非被动存在，而是通过H3K4甲基转移酶（如Cxxc1）的活动得以维持，并对确保合子基因组在正确的时间、以正确的模式激活至关重要。干扰这一标记过程会导致ZGA异常和胚胎发育失败。

该研究的发现对理解表观遗传记忆（epigenetic memory）具有重要意义。它表明，活跃的染色质标记（如H3K4me3）可以独立于持续的转录活动和最初的诱导信号，在细胞分裂过程中传递基因的活性状态信息。这不仅挑战了关于活跃组蛋白修饰严格依赖转录的传统观点，也为解释亲代染色质状态如何影响子代胚胎的基因表达程序提供了新的机制框架。此外，该研究提示非洲爪蟾与人类早期胚胎在H3K4me3动态等方面可能存在相似性，为研究人类早期胚胎发育的表观遗传调控提供了有价值的模型参考。总之，这项工作深化了我们对生命起始阶段表观遗传编程复杂性和重要性的认识。