HDAC3去乙酰化酶活性协调组蛋白乙酰化和染色质可及性的重编程，以驱动着床前胚胎发育期间的合子基因组激活

《Science Bulletin》：HDAC3 deacetylase activity coordinates the reprogramming of histone acetylation and chromatin accessibility to drive zygotic genome activation during preimplantation embryonic development

　　

摘要

合子基因组激活（ZGA）是胚胎发生中的第一个主要转录事件，依赖于广泛的表观遗传重编程，特别是动态的组蛋白乙酰化和去乙酰化。尽管已知组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3）对卵母细胞减数分裂进程至关重要，但其在植入前胚胎发育中的作用仍不清楚。在这里，我们证明HDAC3对于正常的ZGA和后续胚胎发育是不可或缺的。缺乏HDAC3去乙酰化酶活性的胚胎在双细胞期开始出现发育停滞，并显示出显著降低的发育潜力。单细胞RNA测序分析显示，在缺乏HDAC3去乙酰化酶活性的晚期双细胞胚胎中，存在广泛的转录失调，超过70%的受影响基因下调，其中大多数是主要的ZGA基因。超低输入CUT&Tag和miniATAC-seq显示，HDAC3去乙酰化酶活性的缺失严重损害组蛋白乙酰化重编程和染色质可及性，导致主要ZGA基因处一致的转录和表观遗传缺陷。此外，我们发现HDAC3对MERVL表达发挥抑制作用，并且敲低MERVL-int部分挽救了缺乏HDAC3去乙酰化酶活性的胚胎的发育潜力。总的来说，我们的研究表明，HDAC3去乙酰化酶活性通过协调组蛋白乙酰化重编程和染色质可及性，在ZGA和植入前胚胎发育中发挥关键的调控作用。

引言

在植入前发育的开始，一个全能性的合子通过高度特化的精子和卵母细胞的融合形成[1]，[2]。受精后，母源mRNA逐渐降解。在短暂的转录静默期之后，合子基因组被激活，从而启动胚胎基因表达程序。合子基因组激活（ZGA）以两个连续的波次发生，分别称为次要和主要ZGA[3]，[4]。在小鼠胚胎中，次要ZGA主要发生在晚期单细胞到早期双细胞阶段，而主要ZGA发生在晚期双细胞阶段[5]。ZGA过程的破坏严重损害胚胎发育，导致胚胎致死[6]，[7]。因此，在ZGA期间建立正确的基因表达模式对于细胞命运决定和植入前发育的成功进展至关重要。然而，尽管其至关重要，调控ZGA的调节因子和分子机制仍然知之甚少。

在早期胚胎发育过程中，ZGA的成功启动依赖于多个分子因子的协调调控。其中，表观遗传重编程在建立允许ZGA和随后的转录激活的染色质景观中起关键作用[8]，[9]，[10]。这个过程涉及组蛋白修饰、DNA甲基化和染色质可及性的动态重塑，这些共同重新配置表观基因组，以确保准确的转录程序和成功的ZGA[10]，[11]，[12]，[13]，[14]。在多种表观遗传修饰中，组蛋白乙酰化和去乙酰化分别由组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）调控，它们是维持染色质压缩和基因表达之间平衡的关键调节因子[15]。先前关于植入前胚胎发育期间HDACs的研究主要集中在中HDAC1和HDAC2上，强调了它们在早期胚胎发生中的重要作用[16]，[17]。相比之下，其他HDAC家族成员的具体功能和潜在分子机制在很大程度上仍未被表征。

组蛋白去乙酰化酶3（HDAC3）是I类组蛋白去乙酰化酶家族的成员，是一种依赖Zn²⁺的核酶，催化组蛋白尾部赖氨酸残基上乙酰基的去除[18]。与其他HDACs不同，HDAC3与其家族对应物表现出相对较低的序列同源性，其C末端结构域显示出高度的序列变异性，表明HDAC3可能执行独特的生物学功能[19]。先前的研究表明，雄性生殖细胞中的HDAC3调节从晚期精母细胞到早期圆形精子细胞的转变[20]。在雌性生殖细胞中，卵母细胞特异性敲除HDAC3会导致减数分裂缺陷，大多数卵母细胞停滞在中期I阶段。进一步的证据表明，HDAC3通过去乙酰化微管蛋白促进微管稳定性和正确的动粒-微管附着，从而确保准确的减数分裂进程[21]。在颗粒细胞中，HDAC3缺失导致双调蛋白（AREG）表达异常升高，导致卵母细胞过早恢复减数分裂[22]。相反，在颗粒细胞中过表达HDAC3会显著降低组蛋白H3K14ac和H3K27ac水平，从而损害卵母细胞成熟和排卵[23]。总的来说，这些发现表明HDAC3在配子发生中起关键作用。然而，HDAC3在植入前胚胎发育期间的功能，特别是其在调节ZGA中的作用，仍不清楚。

在本研究中，我们研究了HDAC3在ZGA和植入前胚胎发育中的功能。我们发现HDAC3去乙酰化酶活性对于正常的ZGA是不可或缺的。HDAC3去乙酰化酶活性的缺失导致植入前发育期间的发育停滞。该表型伴随着异常的组蛋白乙酰化、受损的染色质可及性以及主要ZGA基因的失调。在机制上，对单细胞RNA测序（scRNA-seq）、超低输入CUT&Tag（ULI-CUT&Tag）和miniATAC-seq的综合多组学分析显示，HDAC3去乙酰化酶活性调节组蛋白乙酰化重编程和染色质可及性，以确保正确的基因组激活和植入前胚胎发育。

章节片段

动物

所有使用小鼠的程序均按照伦理准则进行，并获得了广东省第二人民医院伦理委员会的批准（批准号：2022-DW-KZ-011-02）。动物护理和使用严格遵循机构政策，并符合相关国家标准。C57BL/6和ICR小鼠购自SPF（北京）生物技术有限公司。

小鼠胚胎的体外培养

8周龄雌性小鼠通过注射7.5 IU孕马血清促性腺激素进行超数排卵

HDAC3去乙酰化酶活性在早期胚胎发育中起关键作用

我们首先分析了HDAC3在植入前胚胎发育过程中的表达谱。蛋白质印迹分析显示，从合子到L2C阶段，HDAC3蛋白水平保持持续高表达，随后逐渐下降（图1a，b）。为了确定HDAC3在植入前胚胎发育期间的亚细胞定位，我们使用HDAC3特异性抗体进行了免疫荧光染色。结果显示HDAC3分布在

讨论与结论

在本研究中，我们证明HDAC3去乙酰化酶活性对于ZGA和植入前胚胎发育至关重要。HDAC3去乙酰化酶活性的缺失导致植入前发育期间的发育停滞，并伴有ZGA基因表达的广泛失调。在机制上，HDAC3去乙酰化酶活性的缺失损害了多个赖氨酸残基处的组蛋白去乙酰化重编程，包括H3K9、H3K18、H3K27和H4K16。这伴随着显著减少的

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32230028）、国家重点研发计划（2021YFA1100302）和安徽省自然科学基金（2508085QC103）的支持。我们感谢Sun实验室成员在HDAC3研究和手稿准备过程中的有益讨论和评论。我们感谢中心

Di Gao|Biao Ding|Shao-Yuan Liu|Jia-Ming Wang|Xiao-Ting Lin|Juan Chen|Chao Li|Chun-Xiao Zhang|Zi-Jia Shang|Xue-Gu Wang|Ming-Chuan Gao|Zi-Jun Cao|Cheng-Yang Jiang|Su-Xia Li|Cai-Zhi Wang|Tie-Gang Meng|Ruibao Su|Qing-Yuan Sun