張 穎，李曉霞*，許保增*

（1.中國農業(yè)科學院特產研究所，吉林長春 130112；2.中國農業(yè)科學院特種經濟動物分子生物學重點實驗室，吉林長春 130112）

胚胎發(fā)生起始于單倍體精子和單倍體卵子的受精，也就是從精卵結合成受精卵（也稱合子）開始。胚胎發(fā)生的早期階段依賴于一系列高度協(xié)調的遺傳編碼事件。最初，合子基因組的轉錄是靜止的，胚胎的整個起始發(fā)育主要靠卵子發(fā)生過程中卵中積累大量的母源物質調控，包括mRNAs和蛋白質。在幾次快速卵裂后，母源mRNAs和蛋白質會被清除，合子基因組被激活，此時的胚胎發(fā)育由母源因子調控轉向合子基因組調控，這個過程被稱為母源-合子轉換（Maternal-Zygotic Transition，MZT）[1-3]。MZT是胚胎發(fā)育的關鍵，因為它能夠協(xié)調細胞分裂和合子基因激活，為細胞分化和進一步發(fā)育做準備[4]。

MZT涉及母源物質清除、合子基因組激活（Zygotic Genome Activation，ZGA）2個主要過程。母源物質是卵母細胞成熟以及早期胚胎發(fā)育所必需的，但是在胚胎發(fā)育后期是不必要的，也可能是有害的，母源物質的清除有利于胚胎后續(xù)發(fā)育[1,5]。合子基因組激活是受精后基因表達的開始，是胚胎轉錄本產生的關鍵。合子基因組激活后，原本在轉錄上靜止的基因組會被重新編程成全能狀態(tài)[6-7]。探究母源物質清除和合子基因組激活的機制對胚胎發(fā)育的研究至關重要。母源mRNAs的清除是因為靶mRNA的去腺苷酸化，RNA結合蛋白Pumilio、Smaug和胚胎去腺苷酸化元件結合蛋白EDENBP（Embryonic deadenylation element-binding protein，EDEN-BP）、microRNAs是主要參與靶mRNAs去腺苷酸化調節(jié)母源mRNAs降解的因子，母源物質的清除為合子基因表達奠定了理想前提[5]。

ZGA作為胚胎后續(xù)發(fā)育的關鍵點，對于指導新的發(fā)育進程是必不可少的，了解其發(fā)生機制對胚胎發(fā)育研究具有重大意義。ZGA過程中涉及的調控因子有很多[6-7]，其中，表觀遺傳學機制在母體轉向胚胎發(fā)育調控的基因表達和合子基因組激活這一轉變中至關重要。本文主要對MZT過程中涉及的DNA甲基化、染色質重塑、組蛋白修飾等調控機制進行綜述。

1 表觀遺傳學與胚胎發(fā)育

目前，關于表觀遺傳學的研究有很多，涉及癌癥、神經、胚胎發(fā)育[8-10]等，是各大研究領域研究熱點。表觀遺傳學指的是基因表達或細胞表型的遺傳變化，這些變化不會改變DNA序列，是DNA修飾的非孟德爾遺傳，可能影響一個或多個等位基因的基因表達，即表觀遺傳變化在細胞與細胞之間變化可遺傳，并且可能從親本向后代遺傳[11]。已知的表觀修飾包括DNA甲基化、組蛋白修飾、表觀遺傳小的非編碼RNA等。組蛋白尾巴可以進行翻譯后修飾，這些修飾（連同其他表觀遺傳標記）決定染色質是活性的還是非活性的，反過來影響染色質區(qū)域內基因的表達狀態(tài)[12]。小的非編碼RNA可以經歷DNA甲基化或組蛋白修飾，從而影響各種基因的表達狀態(tài)[8]。

新的研究表明，表觀遺傳因素是可遺傳的，父親的生活方式可能影響胎兒的發(fā)育和疾病風險，雄性經歷的胚胎壞境會影響后代的性別比例[13]。在線蟲中，精子遺傳染色質狀態(tài)傳遞給后代原始生殖細胞，影響生殖系轉錄和發(fā)育，精子H3K27me3遺傳給后代生殖細胞，以防止生殖系不適當?shù)霓D錄，從而保護生殖細胞[14]。精子中的氧化應激不僅影響DNA的完整性，而且對表觀遺傳重編程的動力學也有影響，可能損害父本遺傳和表觀遺傳對發(fā)育胚胎的貢獻，影響胚胎發(fā)育和胚胎質量[15]。在早期胚胎中，精子核通過用來自母體基因組的乙酰化組蛋白替換精蛋白而廣泛重塑，從而導致父系染色質的去致密，這個過程是產生轉錄能力強的DNA的關鍵，這有助于滿足合子的需要[16]。

表觀基因組對環(huán)境變化敏感，可持續(xù)改變基因表達，特別是在胚胎發(fā)育過程中[17]。研究表明，在斑馬魚胚胎中敲除組蛋白乙酰轉移酶Camello蛋白（CMLO3），會造成胚胎軸延伸以及頭部形成的缺陷，對胚胎具有致死性[18]。DNA甲基轉移酶DNMT1和組蛋白脫乙?；窰DAC抑制劑能夠影響豬體細胞核移植過程中基因特異性甲基化重編程，單用Scriptaid或者其與RG108的結合都能顯著促進克隆胚胎中Nanog的轉錄，提高植入前胚胎的發(fā)育能力[19]。表觀遺傳標記參與維持干細胞多能性，高水平的H3精氨酸甲基化易使卵裂球向內細胞團（Inner Cell Mass，ICM）發(fā)育，在個體卵裂球中過表達H3特異性精氨酸甲基轉移酶CARM1，其后代導向ICM并導致Nanog和Sox2的戲劇性上調，這表明特定的組蛋白修飾作為最早已知的表觀遺傳標記能夠促進ICM發(fā)育，表觀遺傳信息的處理可影響細胞命運[20]。

2 MZT中的表觀遺傳調控

2.1 DNA甲基化 DNA的甲基化是哺乳動物中必不可少的表觀遺傳調控機制，在胚胎發(fā)育期間，細胞被引導至其未來譜系，并且DNA甲基化構成了基本的表觀遺傳屏障，其指導和限制分化并阻止回歸到未分化狀態(tài)。DNA甲基化在性染色體劑量補償、維持基因組完整性和基因組穩(wěn)定性以及印跡基因的協(xié)調表達中也起著重要作用[21]。DNA甲基化的模式可以分為從頭開始的DNA甲基化和維持DNA甲基化2類，每一類都有一套在動植物中保存的特征良好的DNA甲基轉移酶（DNMTs）[22]。迄今為止，哺乳動物中有6種不同的DNMTs被定義為DNMT1、DNMT2、DNMT3a、DNMT3b、DNMT3c和DNMT3L。負責從頭DNA甲基化的酶是DNMT3家族，包括DNMT3a、DNMT3b和DNMT3L。其中DNMT3L缺乏關鍵的甲基轉移酶基序，沒有酶活性，但可以作為從頭開始DNA甲基化中DNMT3a和DNMT3b的調節(jié)器。DNMT1蛋白主要通過在DNA復制過程中向半甲基化DNA鏈中添加甲基來維持甲基化。DNMT 2蛋白可以使天冬氨酸轉移RNA反轉錄環(huán)中的胞嘧啶38甲基化，而不是使基因組DNA甲基化。DNMT3C最近被鑒定為從頭甲基轉移酶，它保護雄性生殖細胞不受轉座子活動的影響，并且對小鼠的生育至關重要[23]。

在卵子發(fā)生和著床前胚胎發(fā)育過程中，DNA甲基化在嚴格調節(jié)發(fā)育相關基因的刺激或抑制以及及時建立母系和父系印記方面發(fā)揮著關鍵作用。生長中的GV卵母細胞中的全局甲基化在出生后開始逐漸增加，并在青春期達到MII卵母細胞中的最高水平。在胚胎發(fā)育早期，全局DNA甲基化從1細胞胚胎到16細胞胚胎逐漸減少，并開始在胚泡期胚胎中增加[23-24]。DNMT1與MII卵母細胞染色質有關，并在整個植入前發(fā)育過程中存在于細胞核中。用抗體或RNAi（RNA干擾）敲除抑制DNMT1s活性可降低特定重復序列和印記位點的DNA甲基化。母系和合子DNMT1的缺失導致印記區(qū)域的甲基化完全喪失，這表明母系和合子DNMT1都需要保持印記位點的DNA甲基化模式[22]。

DNA甲基化主要是在胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CPG）和非CPG二核苷酸位點的胞嘧啶殘基的第5個碳原子（5mC）上添加甲基。受精后，父本核中5mC信號丟失，以其氧化形式5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine，5hmC）積累，形成合子后，親本基因組在母本和父本原核中空間分離，母本基因組的總體DNA甲基化水平低于父本基因組[25-26]。母本和父本基因組通過不同狀態(tài)進行DNA去甲基化。DNMT1的核排斥，部分由皮質下母體復合體（Subcortical Maternal Complex，SCMC）和DNMT 1招募者UHRF1的細胞質定位所驅動，是在母本基因組中觀察到的DNA被動去甲基化的主要驅動力。父本基因組大部分經歷了快速和活躍的去甲基化，這主要是依賴TET3（Ten-Eleven Translocation，TET）羥化酶的活性，TET3催化5mC到5hmC的轉化，并在早期胚胎中大量表達[27]。母源因子PGC7（也稱Dppa3，Stella）是維持早期胚胎發(fā)生時DNA甲基化所必需的，在母本基因組中通過結合含H3K9Me2的染色質保護5mC免受TET3介導轉化為5hmC[28]。

2.2 染色質重塑 染色質重塑一直被認為在MZT中起著關鍵作用，通過確保特定的基因表達模式。精子發(fā)生和早期胚胎發(fā)生特別容易受到表觀遺傳影響，為了形成高度專門化的成熟精子并促進合子的全能性，一些表觀遺傳修飾必須經過戲劇性的重編程來重新排列染色質結構[29]。組蛋白翻譯后修飾（Post-Translational Modification，PTMs）在染色質結構調控中發(fā)揮重要作用，并與基因表達調控有關。染色質可及性通過核小體位置和構型調節(jié)，其受組蛋白變體以及組蛋白N末端尾部標記的轉錄后修飾（如甲基化和乙酰化）的影響。其中，組蛋白H3K4me3與轉錄活性相關，啟動子H3K4me3通常與晚期2細胞階段的基因轉錄相關，H3K27me3與失活染色質相關，H3K27ac則與開放染色質相關聯(lián)，這些在胚胎早期發(fā)育中極其重要，在果蠅中，卵母細胞遺傳的H3K27me3結構域是防止ZGA期間H3K27ac異常積累的必要條件[27]。

組蛋白變體的變化刺激核小體改變從而調節(jié)染色質形成。抑制性H2A變異體macroH2A存在于發(fā)育成熟的小鼠卵母細胞中，在受精后從母體基因組中去除。隨著胚胎轉錄活躍，macroH2A逐漸消失，可能母體macroH2A有助于其轉錄沉默。macroH2A變體在維持核組織和異染色質結構方面具有重要作用，胚胎H2A.Z（HTZ-1）是發(fā)育所必需的，是由母源mRNA轉錄而來，與發(fā)育關鍵基因結合影響表達特異性。小鼠中H3.3的敲除誘導2細胞階段染色體過度凝縮和桑椹胚中的合子轉錄受損。在果蠅中，胚胎H1變體dBigH1缺失導致早期Pol II活性和基因表達，這表明ZGA的一個障礙是高階染色質的早期流行[1,30]。

最新研究發(fā)現(xiàn)，MZT是脊椎動物胚胎發(fā)育過程中異染色質形成的關鍵發(fā)育調節(jié)因子，異染色質的全基因組建立是由胚胎發(fā)生過程中MZT觸發(fā)的，染色質重塑蛋白Smarc2在保護胚胎基因組免受異染色質作用方面有重要作用[31]。早期胚胎中轉錄機制和染色質之間的相互作用可能調節(jié)ZGA的時間。染色質結構的抑制性轉錄狀態(tài)可能有助于選擇性地調節(jié)啟動子活性，以確保在抑制非必需或有害基因的同時，啟動正常發(fā)育的時間關鍵基因的時空表達[22]。原位DNA I敏感性測定（指示開放性染色質結構）和體外轉錄分析（指示總轉錄活性），證實了染色質結構與ZGA之間的直接關聯(lián)，增加的DNaseI敏感性對應晚期1細胞到2細胞階段的轉錄活性增加，而早期和晚期1細胞階段起始轉錄活性與降低的DNaseI相關，這說明染色質結構參與ZGA的調節(jié)可能始于1細胞時期[32-33]。卵裂過程中，發(fā)生的染色質重塑和轉錄需要嚴格調控，才能確保胚胎的正常發(fā)育。

2.3 組蛋白修飾 組蛋白曾經被認為是靜態(tài)結構元件，現(xiàn)在被認為是負責調節(jié)基因的轉錄機器的動態(tài)和整體元件[34]。組蛋白修飾是涉及胚胎發(fā)育和細胞分化以及包括癌癥在內的病理狀況的中心表觀遺傳修飾之一，組蛋白修飾對基因表達的調控至關重要[4,35]。在MZT期間，2種類型的組蛋白修飾涉及調控基因表達，包括賴氨酸乙?；唾嚢彼幔ㄈ┘谆?。在非洲爪蟾中，Dimitrov等[36]觀察到導致MBT的廣泛的H4脫乙?；?，這與產生“默認關閉”轉錄狀態(tài)以及染色質可及性的基因特異性調節(jié)一致。小鼠上有研究表明，H4乙酰化能夠區(qū)分轉錄活躍的雄原核與沉默的雌原核，在1細胞時期，相比于雌原核，G1時期雄原核中的H4高乙?；捷^高，而在S和G2期水平相似[1,37]。與組蛋白H4乙酰化相反，親本基因組中H3的不對稱甲基化模式輝一直穩(wěn)定到2細胞階段，受精后不久產生親本基因組之間的不對稱H3/K9甲基化模式能夠在植入早期發(fā)育期間持續(xù)存在，H3/K9甲基化酶在4細胞階段被激活，此時親本基因組是進行對稱性的甲基化[38]。H3賴氨酸甲基化能夠影響MZT期間基因激活的時間，且在不同物種之間差異很大[39-42]。

H3K4me3和H3K27me3是與轉錄激活和抑制相關的重要的組蛋白修飾[38]，而H3K36me3則標記轉錄延伸的區(qū)域[43]。研究表明，對斑馬魚的母源-合子轉換期前后帶有賴氨酸三甲基化修飾的組蛋白H3分子的基因組位置進行檢測，雖在轉換之前未檢測到具有抑制性的H3K27me3和處于激活狀態(tài)的H3K4me3，而在基因組激活之后，超過80%的基因都被H3K4me3標記，這也包括許多被H3K27me3標記的非活性發(fā)育調控基因[44]。Dahl等[45]利用微尺染色質免疫共沉淀和測序（μChlPseq）分析小鼠未成熟和MII卵母細胞和2細胞和8細胞胚胎全基因組組蛋白H3賴氨酸甲基化（H3K4me3）和乙?；℉3K27ac），發(fā)現(xiàn)約22%的卵母細胞基因組與廣泛的H3K4me3結構域相關，這些結構域與DNA甲基化反相關，H3K4me3信號局限于2細胞胚胎中的轉錄起始位點區(qū)域，伴隨著主要合子基因組激活的發(fā)生。賴氨酸去甲基化酶KDM5A和KDM5B主動去除廣泛的H3K4me3結構域是正常的合子基因組激活所必需的，并且對于早期胚胎發(fā)育是必需的，這也證明了廣泛的H3K4me3結構域在MZT中的作用。

在哺乳動物中，MZT伴隨著母本遺傳組分對父本基因組染色質的全核重建，母本和父本基因組具有不同的染色質修飾，并且每個親本基因組對受精卵中染色質構象的建立有不同的貢獻，這對于合子基因表達是必需的。在母本染色體中，中心異染色質由H3K9me3和H4K20me3標記，其由卵母細胞中的Suv39 h和Suv4-20 h組蛋白甲基轉移酶（HMT）以及配子融合后加載到染色質上的HP1β建立[30]。特定基因的父系組蛋白修飾也可能影響合子基因表達[4]，在斑馬魚精子中發(fā)現(xiàn)H3K4me3 和 H3K27me3能夠組合標記胚胎發(fā)育基因，H3K4me3強烈傾向于標記在ZGA時表達的精子中的基因，而H3K27me3與轉錄調控和發(fā)育功能有關，精子中H3K27me3標記的發(fā)育重要基因也許在ZGA之前就對胚胎中穩(wěn)定染色質狀態(tài)的建立起了一定作用[46]。在牛體細胞核移植胚中通過異位表達的H3K27me3賴氨酸脫甲基酶（KDM）6A的去除極大地促進了轉錄重編程，提高了核重編程效率。

2.4 非編碼RNA 近年來，非編碼RNA（non-coding RNA，ncRNA）在MZT期間的作用備受關注。研究發(fā)現(xiàn)，MZT期間發(fā)生的染色質重塑和轉錄變化不僅受蛋白質編碼基因驅動，而且受ncRNA的驅動，特別是sncRNA（small non-coding RNA）以及長鏈非編碼RNA（Long non-coding RNA，lncRNA）[27]。哺乳 動物中，sncRNA在早期胚胎發(fā)育過程中很重要，牛卵母細胞和胚胎中與MZT相關的sncRNA相對豐度的強烈動態(tài)變化，表明這些分子在MZT中對基因表達起到重要作用[47]。sncRNA中的miRNA通過轉錄后機制控制基因的表達，不同的miRNA（如miR-200，miR-29）受表觀遺傳機制DNA甲基化和組蛋白修飾調控，同時，miRNA（miR-301，miR-449等）本身也可以調節(jié)DNA甲基轉移酶（DNMT）和組蛋白脫乙?；福℉DACs）的水平，從而調控表觀遺傳修飾[48]。miR-125家族通過抑制MEGs EBOX和蛋白lin-28同系物A（LIN28A）的表達而對主要ZGA產生負調控；在生發(fā)泡卵母細胞中注射miR-125家族成員的模擬物會導致2細胞停滯，而注射miR-125家族成員的抑制劑則會增強ZGA[49]。

lncRNA是一種表觀遺傳調節(jié)劑，被認為在小鼠胚胎發(fā)育中起著重要作用，并且一些發(fā)育缺陷與表觀遺傳修飾障礙有關。lncRNAs在小鼠早期胚胎發(fā)育過程中以發(fā)育階段特異性方式表達，而在小鼠SCNT胚胎中發(fā)現(xiàn)了更多時空特異性表達模式。在體細胞重編程期間染色質狀態(tài)發(fā)生了變化，導致不完全的合子基因組激活，卵母細胞到胚胎的轉化以及2細胞到4細胞的轉化[50]。作為復雜的表觀遺傳學調控的一部分，lncRNA能通過控制多種細胞過程中的染色質重塑來影響基因表達。LncRNA可以直接與許多組蛋白和DNA修飾酶相互作用，包括MLL/TrxG復合物、組蛋白脫甲基酶LSD1和DNA甲基轉移酶DNMT1，參與組蛋白或DNA的共價修飾，也能夠調節(jié)非共價修飾，lncRNA作為染色質修飾酶和ATP依賴的染色質重塑因子的伴侶，來控制染色質結構和遺傳信息的可及性[51]。通過調節(jié)ZGA期間的核小體裝配和染色質裝配，lncRNA可能激活ZGA[52]。在小鼠1細胞階段，顯微注射抑制白介素17 d（Il17 d）mRNA的大量啟動子相關的非編碼RNA（promoter-associated noncoding RNAs，pancRNAs）伴侶的siRNA引起胚胎致死性，其可通過在4細胞階段提供體外IL17D蛋白得以挽救，這類新穎的lncRNAs可以順式調節(jié)轉錄機制以激活合子基因，對于植入前的胚胎發(fā)育很重要[53]。

3 展 望

母源調控向合子調控的轉換是一個復雜且高度協(xié)調的發(fā)展過程，包括物質衰變和生成，MZT過程中的時空調控機制是成功胚胎發(fā)生的必要條件[30]。上述表觀遺傳因素對調控MZT以及理解MZT的機制至關重要。除了上述表觀因素，也有新研究發(fā)現(xiàn)在胚胎發(fā)生的第一階段，重編程細胞命運需要轉錄激活子進入基因組并重塑合子轉錄組，胚胎中重新編程可能需要特定的、連續(xù)的開創(chuàng)性功能來激活基因組[54]。MZT作為胚胎發(fā)育的關鍵調控過程，盡管，已知的調控MZT的表觀遺傳因素有DNA甲基化、染色質重塑、組蛋白修飾、非編碼RNA等，但是還不夠全面，還需要進一步挖掘，這些因素之間是否有關聯(lián)，它們之間的關聯(lián)機制以及它們在MZT中的功能作用更需要深入探究，這對于進一步理解MZT的機制，改善胚胎發(fā)育有重要意義，對全面理解早期胚胎發(fā)育機制更是一個補充。