超级 RNA 聚合酶 II 结构域（SPDs）：调控晚期合子基因组激活的关键密码

本文聚焦合子基因组激活（ZGA），通过研究牛、猪、小鼠胚胎，发现牛胚胎中 RNA 聚合酶 II 形成超级 RNA 聚合酶 II 结构域（SPDs）。SPDs 可增强 minor ZGA 基因表达，促进晚期 ZGA 物种的转录进程，对理解胚胎发育转录调控机制意义重大。

　　

研究背景

哺乳动物的发育速度存在显著差异，这种差异在合子基因组激活（ZGA）的时间上也有体现 。ZGA 是胚胎发育过程中的关键事件，标志着从依赖母源 RNA 向胚胎基因组控制的转变，通常分为 minor ZGA 和 major ZGA。例如，小鼠的 major ZGA 发生在 2 细胞晚期（受精后 32 小时），而牛和人类则分别在 8 细胞期（72 小时）和 8 - 16 细胞期（72 - 96 小时） 。RNA 聚合酶 II（RNA Pol II）在基因转录中起关键作用，其在小鼠胚胎 ZGA 过程中的作用已有一定研究，但在晚期 ZGA 物种中的调控机制尚不清楚。同时，前期研究提出了染色质状态的沙漏模型，即在配子和胚胎早期阶段，染色质状态（包括组蛋白修饰、染色质可及性和 DNA 甲基化等）存在较大的种间差异，而在 ZGA 之后逐渐趋同，但 RNA Pol II 如何参与这种转录调控的趋同模式尚不明确。

研究方法

1. 选择研究模型：选取牛作为晚期 ZGA 哺乳动物的模型，猪和小鼠作为早期 ZGA 哺乳动物的模型。
2. 实验技术：运用小尺度 Tn5 辅助染色质切割测序（Stacc - seq）技术对牛、猪的生殖泡（GV）卵母细胞和胚胎在不同发育阶段（包括 pre - ZGA、peri - ZGA 和 post - ZGA 阶段）的 RNA Pol II 结合情况进行分析；结合公共数据集，综合分析染色质可及性（ATAC 测序）、组蛋白修饰（H3K4me³、H3K27me³、H3K27ac）、DNA 甲基化和 Hi - C 数据；利用 CRISPRi 技术干扰牛胚胎中的 SPDs 结构，通过 RNAi 技术敲低相关基因表达；进行免疫荧光、逆转录定量 PCR（RT - qPCR）等实验验证相关结果。

研究结果

1. RNA Pol II 结合的保守性和差异性：研究发现 RNA Pol II 在牛、猪和小鼠早期胚胎中的结合模式存在差异。在基因启动子和基因体区域，随着胚胎发育，RNA Pol II 在 ZGA 基因上的结合逐渐集中（RNA Pol II 配置），且在牛和猪胚胎的 ZGA 阶段，RNA Pol II 在部分基因上的结合模式与小鼠相似。但在多能性相关结构域（PMD）区域，RNA Pol II 在牛和猪胚胎的 ZGA 阶段富集在 PMD 内部，而小鼠则是在 PMD 边缘富集。此外，在杂交胚胎中，RNA Pol II 在牛和小鼠胚胎中的等位基因结合特征也有所不同。
2. RNA Pol II 在 PMD 中的结合差异：在 minor ZGA 阶段，牛胚胎的 minor ZGA 基因启动子和邻近的 PMD 区域表现出更高的 RNA Pol II 富集、染色质可及性和 H3K4me³ 水平，且 RNA Pol II 在牛胚胎的 PMD 中结合更为广泛，远端 RNA Pol II 结合位点数量也更多。相比之下，猪和小鼠胚胎在这些方面存在差异，猪胚胎的 DNA 甲基化水平较高，影响了 RNA Pol II 的结合，而小鼠胚胎的 PMD 中存在抑制性的 H3K27me³修饰，阻碍了 RNA Pol II 的结合。
3. SPDs 对 minor ZGA 基因表达的影响：在牛胚胎中，发现了由远端 RNA Pol II 结合位点形成的超级 RNA 聚合酶 II 结构域（SPDs）。SPDs 与 minor ZGA 基因的高表达相关，且通过 3D 基因组相互作用增强了 minor ZGA 基因的表达。CRISPRi 干扰 SPD 结构后，相关 minor ZGA 基因的表达下降。而在猪和小鼠胚胎中，这种关系并不明显。
4. SPDs 促进转录调控因子的表达：通过跨物种比较发现，牛胚胎中 SPD 增强表达的基因在小鼠中存在早熟表达现象。例如，KLF17 和 DUXA 在牛胚胎中是高度表达的 minor ZGA 基因，而在小鼠中其同源基因在卵母细胞阶段就已表达。这表明晚期 ZGA 物种需要 SPD 介导的调控来使转录调控因子的表达水平与早期 ZGA 物种相当。
5. SPD 增强基因对 major ZGA 阶段基因表达的影响：SPD 增强的 KLF17 和 DUXA 表达有助于牛胚胎在 major ZGA 阶段维持基因表达的保守模式。敲低 KLF17 或 DUXA 会导致牛胚胎转录收敛异常，影响胚胎发育，降低预测的产犊率。
6. 人类胚胎中的类似现象：人类胚胎与牛胚胎的 ZGA 时间相近，研究发现人类胚胎在 minor ZGA 阶段也存在类似的远端调控元件（超级 ATAC 结构域，SADs），可增强 minor ZGA 基因的表达，且相关基因的功能与牛胚胎类似，但还需进一步实验验证。

研究结论

1. 物种特异性调控机制：本研究揭示了 RNA Pol II 在不同物种早期胚胎转录调控中的关键作用。SPDs 是牛胚胎特有的调控元件，通过 3D 相互作用增强 minor ZGA 基因表达，这种机制在猪和小鼠胚胎中不明显，主要是由于不同物种的染色质状态差异。在小鼠中，母源的 H3K27me³ 结构域阻碍 RNA Pol II 结合，形成抑制性的 PADs；猪胚胎中高 DNA 甲基化减少了 PMD 覆盖和远端 RNA Pol II 结合。
2. 对胚胎发育的重要性：SPD 增强的 minor ZGA 基因表达确保了晚期 ZGA 物种（如牛和人类）在 major ZGA 阶段基因表达的精确激活，促进了基因表达模式向早期 ZGA 物种的收敛，对维持胚胎正常发育至关重要。敲低相关基因会破坏这种收敛模式，影响胚胎发育进程。
3. 研究展望：虽然本研究取得了重要进展，但仍存在一些未知。例如，目前尚不清楚是否存在上游的母源转录因子引导 RNA Pol II 形成 SPDs，且在非模式动物中难以进行相关研究。此外，人类胚胎中类似 SPD 的结构其作用是否与牛胚胎完全一致，也需要进一步深入研究。