解析斑马鱼早期胚胎发育中可转座元件的合子激活：开启发育奥秘新视角

在早期胚胎发育中，可转座元件（TEs）的合子激活（ZTA）细节不明。研究人员通过对斑马鱼开展研究，利用长读测序精确识别活跃的 TE 位点，发现 ZTA 模式与常规合子基因激活（ZGA）不同。该研究为理解 TE 激活提供新视角，助力揭示胚胎发育机制。

　　在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学家们热衷探索的神秘领域。可转座元件（TEs）作为基因组中的特殊 “乘客”，在动物基因组中占据着相当大的比例，比如人类基因组的 46%、小鼠的 37%、斑马鱼的 51% 都是 TEs。它们就像基因组中的 “小魔法师”，以各种形式在基因组中 “安营扎寨”，有的是完整的转录单元，有的则插入到基因中或存在于基因间区域。
虽然之前的研究表明，TEs 在早期胚胎发育过程中会被激活并发挥关键作用，但是关于 ZTA 的详细情况却知之甚少。一方面，TE 家族和亚家族内的序列高度相似，这就像一群长得很像的 “双胞胎”，阻碍了对每个位点和转录本的单拷贝研究；另一方面，自主表达的 TE 拷贝和 TE - 基因嵌合转录本之间界限模糊，让人难以分辨。这两个问题就像两座大山，横亘在科研人员探索 TEs 在胚胎发育中复杂作用的道路上，所以迫切需要开展相关研究来填补这些知识空白。
为了解开这些谜团，来自美国密歇根大学吉尔伯特?S?奥门计算医学与生物信息学系、俄亥俄州立大学等机构的研究人员开展了深入研究。他们以斑马鱼为研究对象，利用长读测序技术，精确识别出在众多 TE 拷贝中只有一小部分位点会被激活，并绘制出它们在单一位点和单转录本水平的转录级联反应图谱。研究发现，ZTA 有着独特的模式，与 ZGA 存在显著差异。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解 TE 激活机制提供了高分辨率的视角，还创建了一个包含数千个之前未注释的转录本和基因的综合目录，对于揭示胚胎发育的奥秘具有重要意义。
研究人员在研究过程中用到了多个关键技术方法。首先是长读测序技术，对斑马鱼胚胎 11 个发育阶段的总 RNA 进行提取，反转录成 cDNA 后进行 PacBio 测序，获取全长转录本信息；其次是短读测序技术，对特定阶段的 mRNA 进行提取和测序，用于辅助分析；此外，还运用了生物信息学分析方法，对测序数据进行处理、注释和分类，从而鉴定出 TE - alone、TE - gene 和基因转录本 。
下面来看看具体的研究结果：

1. 仅一小部分 TE - alone 位点在斑马鱼早期胚胎发育中活跃转录：研究人员从 11 个发育阶段中鉴定出 25,788 个全长 TE 衍生转录本，其中包括 706 个自主表达的 TE 转录本（TE - alone）和 25,082 个 TE 与基因序列的嵌合转录本（TE - gene）。经过严格的人工注释，确定 706 个活跃的 TE - alone 转录本来自 550 个位点，这些位点分属于 30 个家族和 210 个亚家族。通过对这些转录本的分析，发现不同类型的 TE（如 DNA 转座子、LINEs、LTRs）具有不同的剪接模式，并且大多数 LINE 转录本可能维持自主转座潜力，而 DNA 转座子和 LTR 转录本则大多丢失核心结构域，影响其转座功能。
2. ZTA 在斑马鱼早期胚胎发育中呈现独特的激活模式：研究发现，在 706 个活跃的 TE - alone 转录本中，只有 11 个是母系遗传的，其余 695 个合子转录本的激活时间明显晚于 ZGA。ZTA 在 1k - 细胞期开始，到长椭圆形期转录本数量和丰度显著增加。通过对小鼠数据的分析，发现小鼠的 ZTA 也有类似的延迟启动现象。进一步研究表明，之前的 ZGA 可能为后续的 ZTA 提供必要因素，例如某些转录因子（如 mxtx1/2）可能参与调控 ZTA，抑制这些因子的表达会导致 ZTA 下调。
3. 程序化的 ZTA 在母源 - 合子转变过程中呈现复杂的表达轨迹：从受精卵中的母源携带到盾胚期的合子转录本，TE - alone 转录本的总丰度增加了 318 倍，并且转录组成分发生了显著变化。在 ZTA 开始前，DNA 转座子转录本占主导，之后 LINEs 和 LTRs（尤其是 ERVs）迅速成为主要成分。而且，不同家族 / 亚家族的 TE - alone 转录本在表达模式（包括丰度、激活时间和峰值阶段）上存在广泛差异，在基因座和转录本水平也有显著的异质性，这种异质性与进化年龄有关。
4. 进化年龄影响 ZTA：研究表明，活跃的 LTR、DNA 转座子和 LINE 基因座的 Kimura 分歧（KD）值显著低于沉默拷贝，说明活跃基因座的进化年龄更年轻。相对 “年轻” 和 “年老” 的 TE - alone 基因座在激活轨迹上存在关键差异，年轻基因座在长椭圆形期丰度更高且呈上升趋势，而年老基因座激活后丰度保持在一定水平，且两者在激活时间和表达簇分布上也有所不同。
5. TE 衍生转录本的亚细胞定位不平衡：研究发现，在 ZTA 的三个阶段（1k - 细胞、圆顶期和盾胚期），TE - alone 转录本在细胞核和细胞质中的相对 mRNA 丰度（N/C 比例）最高，其次是 TE - gene 转录本，基因转录本最低。不同的 TE 亚家族在不同发育阶段的 N/C 比例存在显著差异，例如 DNA 转座子的 N/C 比例相对较低，LTRs 和 LINEs 则较高且在不同阶段有动态变化。通过荧光原位杂交（FISH）实验进一步证实，如 DNA 转座子亚家族 hAT - N76_DR 主要定位于细胞质，LINE 亚家族 L2 - 1_DR 定位于细胞核，LTR 亚家族 BHIKHARI_I 在不同发育阶段的定位会发生变化 。
6. ZTA 全过程的表观遗传动态变化：斑马鱼胚胎发育过程中，TE - alone 转录本的表达不仅有激活阶段，在原肠胚和体节形成阶段还存在抑制过程，这一过程与表观遗传变化密切相关。例如，在 550 个活跃的 TE - alone 基因座周围，染色质可及性在高期和长椭圆形期增加，在盾胚期和 80% 外包期下降，与转录本丰度的变化趋势一致。同时，组蛋白修饰（如 H3K4me3、H3K27ac、H3K9me3）和 PIWI - 相互作用 RNA（piRNAs）等也在不同阶段发挥着调控作用，共同影响 TE - alone 基因座和转录本的激活与抑制 。
7. TE - gene 嵌合转录本的特征：研究人员在斑马鱼早期胚胎发育过程中鉴定出 25,082 个 TE - gene 转录本，其中包括 4752 个已注释和 20,330 个新转录本。DNA 转座子序列在这些嵌合转录本中占大多数。这些 TE - gene 嵌合转录本可能在胚胎发育中发挥着重要但尚未被揭示的功能 。
8. 鉴定出对斑马鱼早期胚胎发育具有重要功能的基因座：通过对斑马鱼早期发育的转录组分析，研究人员鉴定出 1674 个新的基因座，其中包括 TE - 基因和常规基因。对这些基因进行共表达网络分析，发现两个关键基因 zeat1 和 zeat2。zeat1 是严格的母系效应基因，对早期胚胎发育至关重要，其突变会导致胚胎细胞运动异常，影响原肠胚形成和胚层分化；zeat2 是 FASTKD5 的同源基因，在处理线粒体 mRNA 的非规范连接处发挥作用，其突变会导致线粒体转录本前体积累，影响胚胎发育，最终导致胚胎死亡。
   在讨论部分，研究人员指出，虽然本研究对 ZTA 有了更深入的了解，但仍存在一些局限性。例如，550 个 TE - alone 位点可能是保守估计，受到多种因素影响；研究可能忽略了某些缺乏 poly (A) 尾巴的 TE 转录本；ZTA 和 ZGA 的差异还需要进一步研究等。不过，这项研究为后续探索 TEs 在胚胎发育中的作用奠定了坚实基础，有助于我们更深入地理解生命起源和进化的奥秘，也为相关疾病的研究提供了新的思路和方向。