邢吉祥 李寒霜 李海成 左永春**

（1）內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特 010070；2）內(nèi)蒙古大學(xué)省部共建草原家畜生殖調(diào)控與繁育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010070）

受精后雌雄配子相互結(jié)合形成一個(gè)全新的有機(jī)體，在受精卵剛剛形成的一段時(shí)間內(nèi)，合子基因組的轉(zhuǎn)錄活性處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，受精卵會(huì)重新編程為全能性細(xì)胞［1］。卵母細(xì)胞在逐漸成熟的過(guò)程中會(huì)積累大量的母源性物質(zhì)（RNA 和蛋白質(zhì)）［2-3］，細(xì)胞重編程過(guò)程依賴于這些母源性物質(zhì)來(lái)調(diào)控。而隨著發(fā)育的不斷進(jìn)行，母源物質(zhì)會(huì)經(jīng)歷分階段的降解［4-7］，合子或胚胎基因組被激活（zygotic/embryonic genome activation，ZGA/EGA），母源性調(diào)控會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹献踊蚪M調(diào)控［8-10］，這一過(guò)程被稱為母源-合子轉(zhuǎn)換（maternal-zygotic transition，MZT）［7，11-12］。其包含兩個(gè)主要的分子事件，母源物質(zhì)的降解以及合子基因組激活［12-13］。合子基因組的轉(zhuǎn)錄激活和母源物質(zhì)降解是協(xié)調(diào)互作的。母源性物質(zhì)在卵母細(xì)胞成熟以及早期胚胎發(fā)育過(guò)程中起著巨大的作用，但過(guò)量積累不利于胚胎后續(xù)的發(fā)育［2］。合子基因組激活作為植入前胚胎發(fā)育最重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之一，其能否正確激活決定著早期胚胎能否繼續(xù)發(fā)育完全，對(duì)于胚胎的進(jìn)一步形成和分化具有深遠(yuǎn)的影響［14］。

1 母源物質(zhì)的降解

啟動(dòng)母源-合子轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)合子基因組激活的重要一步就是以高度協(xié)調(diào)的方式完成母源物質(zhì)的降解。主要通過(guò)兩種連續(xù)的途徑完成，第一種是完全由成熟卵母細(xì)胞中積累的母源基因產(chǎn)物主導(dǎo)的階段特異性降解途徑，稱為母源降解（maternal decay，M-decay）。主要發(fā)生在減數(shù)分裂期間，在生發(fā)泡破裂后啟動(dòng)，并持續(xù)到MⅠⅠ時(shí)期。第二種是依賴于合子基因組激活后新表達(dá)的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物介導(dǎo)完成，稱為合子降解（zygotic decay，Z-decay）［5，15］。約90%的母源物質(zhì)在小鼠ZGA的2細(xì)胞階段結(jié)束時(shí)被降解［6，16］。

當(dāng)M-decay途徑受損無(wú)法正常進(jìn)行時(shí)，小鼠受精卵會(huì)停滯在2 細(xì)胞時(shí)期。同樣，Z-decay 途徑相關(guān)調(diào)控因子的缺失，也會(huì)造成小鼠ZGA 失敗以及合子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物嚴(yán)重減少［5，16］。M-decay 和Z-decay途徑的規(guī)模、動(dòng)態(tài)變化和調(diào)控因子在不同物種的不同發(fā)育階段上略有差異。微RNA（microRNA，miRNA）被認(rèn)為是果蠅、斑馬魚(yú)和非洲爪蟾Z-decay途徑的重要促進(jìn)因子。然而，在小鼠中miRNA 是否參與Z-decay途徑仍不太清楚［6，17］。許多研究表明，多種母源因子及其調(diào)控途徑在小鼠和人類中是保守的。例如，BTG4和CCR4-NOT介導(dǎo)的M-decay途徑以及TEAD4 和母源輔助因子YAP1 共同介導(dǎo)末端尿苷基轉(zhuǎn)移酶4/7（terminal uridylyl transferase 4/7，TUT4/7）的合子表達(dá)所啟動(dòng)的Z-decay 途徑［18-21］。小鼠和人類之間母源物質(zhì)降解的差異主要體現(xiàn)在Z-decay 途徑的起點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間上。由于對(duì)合子基因產(chǎn)物的依賴，Z-decay 途徑主要發(fā)生在ZGA附近，但小鼠和人類的ZGA時(shí)期不同。此外，相比于小鼠，合子基因產(chǎn)物在人類Z-decay 途徑中起著更重要的作用。當(dāng)合子轉(zhuǎn)錄被抑制時(shí)，影響了人類超過(guò)90%的母源物質(zhì)降解［5，15-16，22］。

2 合子基因組的激活

在同一物種內(nèi)，合子基因組激活（ZGA）是相對(duì)保守的，但由于物種形成和基因組進(jìn)化上時(shí)間的不同步，ZGA 的發(fā)生時(shí)間以及持續(xù)進(jìn)行的過(guò)程機(jī)制，在不同物種中差異顯著［9，14］。人和小鼠等哺乳動(dòng)物植入前胚胎細(xì)胞分裂速度較慢，ZGA 一般在1~3個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)開(kāi)始發(fā)生，而果蠅和斑馬魚(yú)等其他動(dòng)物的細(xì)胞分裂通常伴隨著快速的細(xì)胞周期，分裂速度相對(duì)較快且轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物較少，ZGA 的發(fā)生更傾向于在5~10 個(gè)細(xì)胞周期之后［9，14，23］。小鼠受精卵完成第一次細(xì)胞分裂時(shí)，果蠅和斑馬魚(yú)等其他動(dòng)物的胚胎發(fā)育已經(jīng)遠(yuǎn)超出了原腸胚階段［24］。合子基因組的這種延遲轉(zhuǎn)錄激活被認(rèn)為有助于雌雄配子基因組的結(jié)合以及重編程為全能性細(xì)胞，其中可能受到不同的機(jī)制調(diào)節(jié)［2，9，14，23，25］。

合子基因組激活并不是一個(gè)瞬時(shí)發(fā)生的事件，基因的轉(zhuǎn)錄是以一種波的形式逐漸被激活。主要包括發(fā)生在早期的小規(guī)模合子基因組激活，次波ZGA（minor ZGA）［26］，以及發(fā)生在晚期的大規(guī)模合子基因組激活，主波ZGA（major ZGA）［7，12］。major ZGA的基因表達(dá)對(duì)胚胎的持續(xù)發(fā)育具有全局性的影響。小鼠大約在受精后24 h 經(jīng)歷major ZGA，主要發(fā)生在2細(xì)胞階段。而果蠅和斑馬魚(yú)分別在受精后2.5 h的第14個(gè)細(xì)胞周期和受精后3 h的第10 個(gè)細(xì)胞周期經(jīng)歷major ZGA，相比之下小鼠major ZGA的發(fā)生時(shí)間要晚得多［2，27］（表1，圖1）。

Table 1 Periods of ZGA activation in different species表1 不同物種合子基因組激活時(shí)期

Fig. 1 Periods of minor ZGA and major ZGA in different species圖1 不同物種次波ZGA和主波ZGA時(shí)期

3 ZGA相關(guān)調(diào)控因子

3.1 ZGA調(diào)控因子的物種特異性

3.1.1哺乳動(dòng)物

合子基因組的轉(zhuǎn)錄是動(dòng)物早期胚胎能夠正常發(fā)育和分化所必需的，ZGA 相關(guān)因子對(duì)合子基因組的轉(zhuǎn)錄調(diào)控至關(guān)重要。盡管在一些物種間，ZGA調(diào)控因子觸發(fā)合子基因組激活的機(jī)制，在進(jìn)化上可能存在著保守性，但就以往的研究結(jié)果來(lái)看，已經(jīng)被證明的ZGA 相關(guān)因子都表現(xiàn)出明顯的物種特異性。

小鼠合子基因組激活期間受到Y(jié)ap1和OTX2等多種相關(guān)因子的調(diào)控。其中Yap1在卵母細(xì)胞中高度表達(dá)，Yap1敲低的卵母細(xì)胞雖然能夠正常成熟和受精，但囊胚形成受阻，ZGA 基因表達(dá)失調(diào)［47］。而OTX2 會(huì)在Dux基因座處與輔助抑制因子結(jié)合用于轉(zhuǎn)錄抑制，OTX2的缺失會(huì)刺激小鼠胚胎干細(xì)胞中ZGA基因的表達(dá)［48］。同時(shí)，細(xì)胞周期蛋白T2（CyclinT2）也是小鼠ZGA 的調(diào)控因子。CyclinT2 是由Ccnt2基因編碼，Ccnt2的缺失和翻譯的阻斷都會(huì)導(dǎo)致小鼠胚胎在2細(xì)胞或4細(xì)胞階段停滯，并且Ccnt2的敲低會(huì)造成接近13%的ZGA基因顯著下調(diào)［3］。此外，胰島素樣生長(zhǎng)因子2 mRNA結(jié)合蛋白2 （insulin like growth factor 2 mRNA binding protein 2，ⅠGF2BP2）對(duì)小鼠ZGA 基因的調(diào)控和激活同樣至關(guān)重要。ⅠGF2BP2的缺失導(dǎo)致小鼠合子基因組激活過(guò)程中轉(zhuǎn)錄的廣泛下調(diào)，破壞2細(xì)胞胚胎中的轉(zhuǎn)錄和翻譯活性機(jī)制，最終導(dǎo)致早期胚胎發(fā)育停滯［49］。

陳子江團(tuán)隊(duì)［50］利用孤雌生殖（PG）和雄核發(fā)育（AG）胚胎證實(shí)了人類ZGA 始于父本基因組，這種現(xiàn)象僅在人類中被發(fā)現(xiàn)，在小鼠中并沒(méi)有。同時(shí)又鑒定出父本激活的ZNF675，一個(gè)僅在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的新基因，對(duì)人類ZGA 至關(guān)重要。ZNF675敲低導(dǎo)致母源mRNA降解失敗，ZGA基因激活數(shù)量顯著下降。之前的研究也發(fā)現(xiàn)，OCT4對(duì)人類ZGA基因的表達(dá)也產(chǎn)生一定影響，敲低OCT4造成25%的ZGA 基因在8 細(xì)胞胚胎中顯著下調(diào)。相反，小鼠2細(xì)胞階段并沒(méi)有檢測(cè)到Oct4結(jié)合位點(diǎn)的富集，Oct4缺失幾乎對(duì)小鼠ZGA 基因無(wú)影響［51］。

小鼠和人類早期胚胎發(fā)育過(guò)程中共同表達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族Dux/DUX4［52-56］。許多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)分別報(bào)道了Dux/DUX4可能是激活小鼠和人類ZGA 的關(guān)鍵因子，但最近的研究表明，它們?cè)赯GA 過(guò)程中的作用其實(shí)并不突出［57］。張毅團(tuán)隊(duì)［58］發(fā)現(xiàn)，Dux在小鼠major ZGA中并不關(guān)鍵，并且它在小鼠胚胎發(fā)育過(guò)程中也并非必需。同年高紹榮團(tuán)隊(duì)［59］實(shí)驗(yàn)證明，Dux只是起到增強(qiáng)ZGA 的作用而不是啟動(dòng)ZGA。

ZSCAN4是哺乳動(dòng)物ZGA期間特異性表達(dá)的基因，對(duì)ZGA的啟動(dòng)發(fā)揮作用［60］。小鼠早期胚胎中Zscan4的表達(dá)僅限于2細(xì)胞晚期。僅僅降低Zscan4的轉(zhuǎn)錄就會(huì)造成2細(xì)胞~4細(xì)胞階段的胚胎發(fā)育水平延遲，囊胚形成異常無(wú)法正常植入［61］。ZSCAN4在人類胚胎的8 細(xì)胞期前后高度表達(dá)，同時(shí)伴隨著major ZGA 的發(fā)生［62］。相比之下，在牛早期胚胎發(fā)育中，ZSCAN4的表達(dá)水平從卵母細(xì)胞到4 細(xì)胞時(shí)期一直相對(duì)較低，在8細(xì)胞時(shí)開(kāi)始從頭合成，16細(xì)胞時(shí)處于較高水平，但在桑椹胚階段開(kāi)始逐漸下降至較低水平。敲低ZSCAN4會(huì)造成牛16 細(xì)胞胚胎的發(fā)育能力降低，胚胎發(fā)育受到嚴(yán)重抑制［35］。

3.1.2其他動(dòng)物

在果蠅中，最早被發(fā)現(xiàn)的ZGA 調(diào)控因子是Zelda，其會(huì)與數(shù)千個(gè)順式調(diào)控區(qū)域進(jìn)行結(jié)合，影響著基因組的染色質(zhì)可及性并增強(qiáng)了其他ZGA 相關(guān)因子對(duì)DNA的占據(jù)。Zelda的缺失會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致果蠅胚胎ZGA激活失敗并最終致死［63-64］。Zelda優(yōu)先調(diào)控最早轉(zhuǎn)錄基因的表達(dá)，而在major ZGA期間激活的基因則主要依賴于GAGA 因子（GAGA factor，GAF）。GAF 可與Zelda 協(xié)同作用驅(qū)動(dòng)ZGA發(fā)生，同時(shí)也具有獨(dú)立于Zelda 的額外功能。GAF調(diào)控著ZGA 期間數(shù)百個(gè)位點(diǎn)的染色質(zhì)可及性，缺乏GAF 的啟動(dòng)子，可及性區(qū)域嚴(yán)重減少［65］。此外，CLAMP也是果蠅ZGA過(guò)程中的主要參與者之一。CLAMP 既可以直接激活靶基因的合子轉(zhuǎn)錄，又會(huì)與GAF 和Zelda 發(fā)生相互影響，調(diào)控彼此對(duì)DNA的占據(jù)，促進(jìn)合子基因組激活［66］。這進(jìn)一步表明，Zelda、GAF 和CLAMP 在果蠅合子基因組激活中的協(xié)同調(diào)控作用。

Nanog、SoxB1 和Pou5f3 是斑馬魚(yú)中尤為關(guān)鍵的ZGA 激活因子，增強(qiáng)了超過(guò)74%的minor ZGA基因的轉(zhuǎn)錄激活，這些因子的缺失會(huì)導(dǎo)致合子基因表達(dá)的全局抑制，原腸胚形成和發(fā)育的完全阻斷［67］。研究表明，斑馬魚(yú)中Nanog、SoxB1 和Pou5f3 能夠調(diào)控染色質(zhì)可及性以促進(jìn)ZGA 基因轉(zhuǎn)錄。三者可以獨(dú)立打開(kāi)染色質(zhì)區(qū)域，但受濃度依賴性影響，因子的濃度越高，開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域的數(shù)量就越多。三者也可以冗余地進(jìn)行調(diào)控，兩種或三種因子共同影響區(qū)域的染色質(zhì)可及性［67-68］。Nanog、SoxB1和Pou5f3會(huì)重塑高核小體親和力區(qū)域（high nucleosome affinity regions，HNARs）的染色質(zhì)狀態(tài)。ZGA 之前，Pou5f3 和Nanog 會(huì)非特異性破壞HNARs 中心核小體的穩(wěn)定性減少核小體占據(jù)。ZGA 后期Nanog 會(huì)結(jié)合到HNARs 的中心，Pou5f3穩(wěn)定側(cè)翼。三者特異性協(xié)同作用維持HNARs 上開(kāi)放染色質(zhì)狀態(tài)［69］。

盡管在許多物種中已經(jīng)識(shí)別出一些ZGA 相關(guān)的調(diào)控因子，有助于深入探索合子基因組激活的潛在機(jī)制，但目前所發(fā)現(xiàn)的ZGA 調(diào)控因子很少能在其他物種中找到或發(fā)現(xiàn)其同源物，物種特異性明顯。對(duì)于同一因子調(diào)控ZGA 的機(jī)制，是否在不同物種中均具有普適性，也需要進(jìn)一步研究。

3.2 ZGA調(diào)控因子結(jié)合位點(diǎn)的序列特征

許多研究結(jié)果表明，ZGA 基因可能受到多種相關(guān)因子的調(diào)節(jié)。而這些調(diào)控因子通過(guò)靶向結(jié)合特定的DNA 序列發(fā)揮作用。近年來(lái)關(guān)于合子基因組激活的研究中，國(guó)內(nèi)外的很多研究者都認(rèn)為ZGA轉(zhuǎn)錄因子的模體（motif）可能存在于ZGA 基因的遠(yuǎn)端順式調(diào)控區(qū)域上且對(duì)ZGA影響極大。

有研究發(fā)現(xiàn)，在斑馬魚(yú)中囊胚轉(zhuǎn)換期（midblastula transition，MBT） 的胚胎中，Pou5f1 和SoxB1 結(jié)合位點(diǎn)傾向于共定位，相鄰的Sox（CATTGTA）和Pou（ATGCAAAT）組成Sox-Pou復(fù)合位點(diǎn)，并被證明與ZGA密切相關(guān)。在ZGA前期，Pou5f1會(huì)優(yōu)先結(jié)合到Sox-Pou復(fù)合位點(diǎn)，招募RNA Pol ⅠⅠ。在ZGA后期，SoxB1也共同結(jié)合Sox-Pou位點(diǎn)，進(jìn)而確保ZGA的穩(wěn)定激活和轉(zhuǎn)錄的精確調(diào)控［70-72］。在果蠅中也發(fā)現(xiàn)在許多早期轉(zhuǎn)錄基因的上游順式調(diào)控區(qū)域上，都富集了與CAGGTAG 相關(guān)的motif序列，被稱為TAGteam位點(diǎn)。Zelda特異性結(jié)合TAGteam 位點(diǎn)，促進(jìn)染色質(zhì)開(kāi)放和其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，對(duì)調(diào)控早期合子基因表達(dá)至關(guān)重要［73-75］。

在人類ZGA 時(shí)期的早期胚胎中，許多major ZGA 基因附近的遠(yuǎn)端順式調(diào)控區(qū)域上都富集了TAATCC 序列（PRD-like motif）。且motif 的數(shù)量直接影響著ZGA基因的表達(dá)情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，類PRD 轉(zhuǎn)錄因子TPRX1/2/L 是人類ZGA 激活的關(guān)鍵調(diào)控因子，共同影響著人類ZGA 的發(fā)生。同時(shí)敲低TPRX1/2/L將導(dǎo)致約31%的ZGA 基因下調(diào)，胚胎發(fā)育和ZGA的顯著缺陷［76］。同樣，在小鼠中也發(fā)現(xiàn)一個(gè)包含6 個(gè)motif 的共有序列出現(xiàn)在許多ZGA 基因的上游，這個(gè)序列與SINE B1/Alu有非常高的相似性。Nr5a2的motif包含在其中，Nr5a2會(huì)結(jié)合遠(yuǎn)端增強(qiáng)子樣區(qū)域并優(yōu)先結(jié)合2細(xì)胞特異性增強(qiáng)子，促進(jìn)染色質(zhì)可及性。Nr5a2 可激活高達(dá)72%的major ZGA 基因，短暫抑制Nr5a2 會(huì)導(dǎo)致上千個(gè)ZGA 基因下調(diào)，2 細(xì)胞發(fā)育停滯［77］。除此之外，小鼠2細(xì)胞基因啟動(dòng)子上也富集了大量的Nfya特異性結(jié)合的CCAAT序列，Nfya作為一種先鋒轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并打開(kāi)局部染色質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Nfya 是激活約15%的2細(xì)胞基因所必需的，Nfya的耗盡會(huì)導(dǎo)致染色質(zhì)可及性降低和ZGA基因激活缺陷［78］。

綜上，ZGA 調(diào)控因子與特定motif 的結(jié)合，從而調(diào)節(jié)靠近該motif的ZGA基因的轉(zhuǎn)錄。這也進(jìn)一步說(shuō)明，ZGA 基因在一定程度上可能存在著序列調(diào)控機(jī)制，且在不同物種中可能是保守的，但這種猜想仍需要進(jìn)一步的研究證明。轉(zhuǎn)錄因子motif 是基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵影響因素，是分析和預(yù)測(cè)基因調(diào)控元件的基礎(chǔ)。因此若能成功揭示不同物種中ZGA 調(diào)控因子結(jié)合位點(diǎn)的序列特征，對(duì)于進(jìn)一步理解ZGA基因的激活機(jī)制同樣意義重大（圖2）。

Fig. 2 Sequence specificity of ZGA-related transcription factor binding sites圖2 ZGA相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的序列特征

4 ZGA的表觀遺傳修飾調(diào)控

4.1 DNA甲基化和去甲基化修飾

DNA 甲基化被廣泛認(rèn)為是哺乳動(dòng)物細(xì)胞異染色質(zhì)特征的抑制性標(biāo)記，主要分為從頭DNA 甲基化和維持DNA 甲基化。從頭DNA 甲基化是在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶3A （DNA methyltransferase 3 alpha，DNMT3A）、DNMT3B 和DNMT3L 三種酶的催化下，使未發(fā)生甲基化的DNA 雙鏈均形成DNA 甲基化；維持DNA 甲基化則是在DNMT1 的輔助下，在復(fù)制過(guò)程中將模板鏈上的DNA 甲基化復(fù)制到新鏈上從而維持甲基化狀態(tài)［79-82］。DNA 甲基化主要參與到基因組印跡、轉(zhuǎn)座元件沉默、X染色體失活等多種生理過(guò)程來(lái)抑制基因的表達(dá)。甲基化的建立在配子發(fā)生和受精后發(fā)育中尤為重要［83-84］。

在小鼠中，雄性生殖細(xì)胞從頭DNA 甲基化是在有絲分裂停止的精原細(xì)胞中開(kāi)始形成，且在出生前完全建立。相反，雌性生殖細(xì)胞中從頭甲基化直到出生后才開(kāi)始。在卵母細(xì)胞中，DNA 甲基化的建立與卵泡生長(zhǎng)期接近同步發(fā)生，并在生發(fā)泡期基本完成［79］。此外，DNA甲基化在小鼠精子和卵母細(xì)胞之間的分布差異較大，卵母細(xì)胞是高甲基化和低甲基化交替出現(xiàn)，而在精子中DNA 甲基化或多或少的均勻分布在整個(gè)基因組中［85-87］。

受精后到植入前，哺乳動(dòng)物基因組會(huì)經(jīng)歷全局DNA 去甲基化，盡管在不同物種中去甲基化程度和動(dòng)態(tài)變化略有差異，但這一過(guò)程仍是相對(duì)保守的。受精后父本基因組會(huì)經(jīng)歷一個(gè)全局范圍內(nèi)迅速的主動(dòng)去甲基化［88-89］，而母本基因組更傾向于通過(guò)在DNA 復(fù)制過(guò)程中保持新鏈的未甲基化狀態(tài)，使甲基化DNA 不斷被稀釋直至去除的方式，進(jìn)行被動(dòng)去甲基化［90-91］。

小鼠基因組的顯著去甲基過(guò)程發(fā)生在minor ZGA 階段且父本基因組的去甲基化速度比母本基因組快得多。異常的DNA 甲基化狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致胚胎全能性建立的失?。?1-92］。在人類中則顯著表現(xiàn)在受精~2 細(xì)胞階段，同樣父本基因組的去甲基化快于母本基因組，但在4細(xì)胞~8細(xì)胞階段甲基化水平發(fā)生微小的變化，表現(xiàn)為DNA 甲基化短暫的重新建立［92］。最近有研究表明，在豬和牛的卵母細(xì)胞中都發(fā)現(xiàn)了雙峰形式的甲基化區(qū)域，并且高甲基化區(qū)域較多，這種情況與人類相似而與小鼠相反［93］。但總體上來(lái)看，人、鼠、牛和豬的胚胎發(fā)育到2細(xì)胞~4 細(xì)胞階段時(shí)，DNA 甲基化均呈現(xiàn)不同程度的降低。不同的是，隨著ZGA的進(jìn)程斑馬魚(yú)中DNA甲基化卻呈現(xiàn)很小的變化，在基因體和轉(zhuǎn)座子上的變化也非常有限［94］。因此，不同物種中DNA甲基化的動(dòng)態(tài)變化與ZGA 之間是否存在潛在的調(diào)控關(guān)系仍需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明［95］（圖3）。

Fig. 3 DNA methylation changes during mouse development圖3 小鼠發(fā)育過(guò)程中DNA甲基化變化

4.2 組蛋白修飾

H2A、H2B、H3 和H4 各一對(duì)構(gòu)成組蛋白八聚體，DNA 纏繞在八聚體上構(gòu)成染色質(zhì)的基本組成單位核小體，核小體再進(jìn)一步螺旋形成更高級(jí)的結(jié)構(gòu)。多種修飾酶會(huì)與核心組蛋白的末端殘基發(fā)生共價(jià)修飾，形成組蛋白乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化等翻譯后修飾［96］。其主要改變了組蛋白內(nèi)部的電荷情況，使DNA 的可結(jié)合程度受到影響，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)［83，97］。組蛋白甲基化和乙?；谟绊慫GA發(fā)生的表觀遺傳調(diào)控中被廣泛研究。

4.2.1組蛋白甲基化修飾

組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化介導(dǎo)組蛋白甲基化的發(fā)生。主要在H3K4、H3K27、H3K9、H3K36等賴氨酸甲基化修飾位點(diǎn)。H3K4me3 主要富集于基因的啟動(dòng)子上，促進(jìn)基因的表達(dá)［98］。在許多哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中H3K4me3 主要以“窄峰”的經(jīng)典模式富集，但卻以“寬峰”的非經(jīng)典模式（noncanonical H3K4me3，ncH3K4me3）分布在成熟卵母細(xì)胞中，且ncH3K4me3 是被逐漸建立起來(lái)。與經(jīng)典H3K4me3 的作用相反，ncH3K4me3 可能與卵母細(xì)胞的基因沉默相關(guān)［98-99］。在人類卵母細(xì)胞中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)ncH3K4me3，而在其他哺乳動(dòng)中則是相對(duì)保守的，并且ZGA 后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典模式。這種H3K4me3 的非經(jīng)典到經(jīng)典模式的正確轉(zhuǎn)換，對(duì)于合子基因組激活和早期胚胎發(fā)育必不可少［100-102］。

小鼠中H3K4me3 是高度動(dòng)態(tài)變化的，并且與基因表達(dá)水平呈正相關(guān)［101］。受精后，父本基因組中的H3K4me3 會(huì)迅速耗盡，并在major ZGA 期間重新建立。相比之下，母本基因組中ncH3K4me3主要存在于部分甲基化結(jié)構(gòu)域中（partially methylated domains， PMDs）。受精后ncH3K4me3會(huì)被暫時(shí)保留，在2 細(xì)胞晚期ZGA 之后，被迅速擦除，并轉(zhuǎn)換為經(jīng)典的H3K4me3［101，103-104］。牛的早期胚胎中也有類似的發(fā)現(xiàn)，一直到8 細(xì)胞階段ncH3K4me3 都呈現(xiàn)明顯分布，并且ncH3K4me3 與DNA 甲基化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，幾乎只發(fā)生在PMDs中［102，105］。此外，在豬卵母細(xì)胞ZGA 基因啟動(dòng)子上也發(fā)現(xiàn)了H3K4me3 的經(jīng)典模式，在受精后轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩挿濉钡姆墙?jīng)典模式，4 細(xì)胞期后又轉(zhuǎn)回為“窄峰”。在豬的受精卵中同時(shí)敲低賴氨酸去甲基化酶 5B （lysine demethylase 5B， KDM5B） 和KDM5C， 會(huì)導(dǎo)致ZGA 基因啟動(dòng)子上保留ncH3K4me3，ZGA 基因表達(dá)受阻，影響胚胎的進(jìn)一步發(fā)育［106］。進(jìn)一步說(shuō)明了組蛋白甲基化對(duì)于哺乳動(dòng)物ZGA調(diào)控的重要影響（圖4）。

H3K27me3被廣泛認(rèn)為是一種抑制性組蛋白標(biāo)記并與多梳抑制復(fù)合體2 （polycomb repressive complex，PRC2）相關(guān)［98，107］。在小鼠的卵母細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了非經(jīng)典的H3K27me3結(jié)構(gòu)域，主要存在于遠(yuǎn)端的基因間區(qū)域，而在受精后的發(fā)育基因啟動(dòng)子上幾乎不富集。精子上的經(jīng)典H3K27me3在受精后會(huì)被全局擦除?？傮w上，小鼠早期胚胎中H3K27me3 與H3K4me3 的富集水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)態(tài)勢(shì)［103］。與小鼠不同，H3K27me3 沉積在人類卵母細(xì)胞發(fā)育基因啟動(dòng)子上和PMDs 中。在人類ZGA之前，H3K27me3會(huì)經(jīng)歷全局耗盡，父本等位基因組可能顯示出更快的耗盡速度，但在桑椹胚期會(huì)重新建立［98，108］。非經(jīng)典的H3K27me3 結(jié)構(gòu)域在豬的早期胚胎中也被觀察到，且受精后被完全去除，隨后在桑椹胚中重新建立H3K4me3/H3K27me3 二價(jià)結(jié)構(gòu)域。實(shí)驗(yàn)表明，阻斷H3K27me3的重建會(huì)導(dǎo)致ZGA 基因在豬囊胚期的表達(dá)異常升高，這表明啟動(dòng)子的二價(jià)性標(biāo)記有助于豬胚胎ZGA的退出［106］。

Fig. 4 H3K4me3 changes around the ZGA gene promoter in mice，humans and pigs圖4 小鼠、人和豬ZGA基因啟動(dòng)子附近H3K4me3變化

H3K9me3 在小鼠胚胎中是第一個(gè)被證明阻止MZT 發(fā)生的表觀遺傳修飾障礙。H3K9me3 水平在小鼠ZGA過(guò)程中逐漸降低且在2細(xì)胞期達(dá)到最低，之后恢復(fù)升高［100，103］。H3K9me2/3的高水平甲基化狀態(tài)會(huì)嚴(yán)重阻礙ZGA 和早期胚胎發(fā)育。過(guò)表達(dá)H3K9去甲基化酶，能夠有效促進(jìn)小鼠體細(xì)胞核移植胚胎的ZGA發(fā)生并提高囊胚率［109］。同時(shí)，人類和小鼠中都發(fā)現(xiàn)H3K9me3 在重復(fù)序列上特異性沉積，H3K9me3 通過(guò)調(diào)控長(zhǎng)末端重復(fù)序列（long terminal repeats，LTRs） 的正確表達(dá)進(jìn)而影響ZGA。H3K9me3水平的增加與相應(yīng)區(qū)域中LTRs的沉默密切相關(guān)［110-112］。此外，在斑馬魚(yú)中H3K9me3和濃縮的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的全局建立發(fā)生在MZT 之后，需要母源物質(zhì)降解和ZGA的配合［113］，這也進(jìn)一步證明H3K9me3與ZGA之間的密切關(guān)聯(lián)。

從小鼠親本到早期胚胎的發(fā)育過(guò)程中，H3K36me3 的動(dòng)態(tài)分布在很大程度上與ZGA 的發(fā)生一致。在MⅠⅠ卵母細(xì)胞和精子中，H3K36me3 都具有很高的富集程度，但這種現(xiàn)象在受精卵中發(fā)生了改變。受精卵中母本H3K36me3的富集程度明顯高于父本，出現(xiàn)了等位基因失衡。但母本H3K36me3 在2 細(xì)胞晚期發(fā)生明顯減弱，8 細(xì)胞階段丟失。相比之下，精子中的大部分H3K36me3并沒(méi)有出現(xiàn)在受精卵中。伴隨著小鼠major ZGA 發(fā)生，全局H3K36me3 在2 細(xì)胞晚期開(kāi)始重新建立，并在8細(xì)胞階段達(dá)到頂峰［86，114-115］。小鼠H3K36me3的丟失，會(huì)導(dǎo)致卵母細(xì)胞數(shù)量減少和DNA 甲基化異常，受精卵發(fā)育受阻以及DNA復(fù)制和ZGA發(fā)生失?。?14］。

4.2.2組蛋白乙?；揎?/p>

組蛋白乙?；饕谠黾尤旧|(zhì)可及性和轉(zhuǎn)錄激活上起作用，H3K27ac已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是活性增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的標(biāo)志物，與ZGA 基因的激活密切相關(guān)。在組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶的作用下，組蛋白乙酰化可以使緊實(shí)的DNA 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變得疏松，促進(jìn)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的特異性結(jié)合［116］。

在小鼠卵母細(xì)胞~2 細(xì)胞之間，組蛋白乙?；饕?jīng)歷了3 個(gè)轉(zhuǎn)變：GV 卵母細(xì)胞中的高乙酰化到MⅠⅠ卵母細(xì)胞中的低乙?；?，再轉(zhuǎn)變到受精卵中的高乙?；?，最終在2細(xì)胞早期呈現(xiàn)經(jīng)典乙?；Ｊ剑?17］。在小鼠中活躍的CBP/p300乙?；D(zhuǎn)移酶對(duì)于minor ZGA 期間從頭建立高乙?；癄顟B(tài)必不可少，并且是major ZGA基因在假定增強(qiáng)子處打開(kāi)染色質(zhì)可及性所必需的［117］。同時(shí)Brd4/p300 也通過(guò)調(diào)節(jié)斑馬魚(yú)中合子基因的組蛋白乙酰化來(lái)促進(jìn)全基因組的轉(zhuǎn)錄能力，進(jìn)而調(diào)節(jié)ZGA。這種機(jī)制對(duì)于啟動(dòng)合子發(fā)育具有重要意義［118］。

組蛋白乙?；€可以與細(xì)胞代謝相互作用協(xié)同調(diào)控ZGA 發(fā)生，代謝輔助因子煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）和去乙?；赶嗷ソY(jié)合可以擦除受精卵中的H3K27ac，進(jìn)而精確調(diào)控小鼠minor ZGA，受精卵中H3K27ac的擦除失敗可能會(huì)導(dǎo)致RNA Pol ⅠⅠ的持續(xù)啟動(dòng)，并誘導(dǎo)minor ZGA基因的延長(zhǎng)表達(dá)。最近有研究表明，在果蠅中H4K16ac 廣泛存在于成熟卵母細(xì)胞中，并且持續(xù)傳遞給下一代。在major ZGA之前，H4K16ac富集在基因的啟動(dòng)子和雄性X染色體上，促進(jìn)染色質(zhì)開(kāi)放，從而調(diào)控ZGA 和劑量補(bǔ)償效應(yīng)［119］。

4.2.3組蛋白二價(jià)性修飾

單獨(dú)的組蛋白修飾影響基因的表達(dá)，二價(jià)性修飾的存在也起著至關(guān)重要的作用。小鼠中，H3K4me3/H3K27me3 會(huì)共同出現(xiàn)在胚胎干細(xì)胞中低表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子處，使基因處于一種靜息（poise） 狀態(tài)，并且當(dāng)同時(shí)存在H3K4me1 與H3K27ac 時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄活性較高，而H3K4me1 與H3K27me3共存時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄活性明顯降低［120-124］。同時(shí)，在人類囊胚中也觀察到H3K4me3/H3K9me3和H3K4me3/H3K27me3 的二價(jià)結(jié)構(gòu)域，為譜系分化做準(zhǔn)備。這種二價(jià)性修飾在其他動(dòng)物中也普遍存在，如在鳥(niǎo)類、斑馬魚(yú)和牛中都發(fā)現(xiàn)了二價(jià)性啟動(dòng)子［107］。 賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 2B （lysine methyltransferase 2B，KMT2B）是活躍于二價(jià)啟動(dòng)子上的主要甲基轉(zhuǎn)移酶。它主要負(fù)責(zé)二價(jià)基因上的H3K4me3沉積。PRC2可以單甲基化、二甲基化和三甲基化H3K27。PRC2 也會(huì)與PRC1 密切合作，PRC1 介導(dǎo)H2AK119ub1 沉積和PRC2 介導(dǎo)H3K27me3沉積，共同形成基因抑制區(qū)域。許多二價(jià)結(jié)構(gòu)域都與H2AK119ub1共同標(biāo)記，高達(dá)約40%的二價(jià)結(jié)構(gòu)域與PRC1結(jié)合［124-125］。H2AK119ub1的缺失會(huì)導(dǎo)致ZGA 基因的過(guò)早激活和早期胚胎發(fā)育停滯［126］。

4.3 組蛋白變體

組蛋白變體及其修飾一般通過(guò)改變核小體的動(dòng)態(tài)變化來(lái)參與染色質(zhì)事件的特定調(diào)節(jié)［127-128］，它們通過(guò)不同的分子伴侶組裝成核小體并與各種染色質(zhì)重塑復(fù)合物相互作用，從而在發(fā)育和細(xì)胞分化過(guò)程中取代經(jīng)典組蛋白或在各種變體之間進(jìn)行替代［129］。由于組蛋白變體的引入而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性差異，可以影響組蛋白之間的相互作用，導(dǎo)致核小體穩(wěn)定性和染色質(zhì)可及性異常［130-131］。

組蛋白變體H1 通過(guò)調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來(lái)改變H3K27me3 和H3K36me2 的富集程度，從而影響基因表達(dá)的機(jī)制［132-133］。組蛋白變體H3.3也被認(rèn)為是早期胚胎發(fā)育所必需的，其在受精后會(huì)立即富集到父本基因組中［134-135］。同時(shí)在小鼠胚胎干細(xì)胞中H2A.X 的缺失會(huì)導(dǎo)致ZGA 基因的顯著上調(diào)和轉(zhuǎn)座子的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)。當(dāng)ZGA 基因和轉(zhuǎn)座子都處于活躍狀態(tài)時(shí)，人類早期胚胎中的H2A.X 則會(huì)高度富集［136］。

組蛋白變體H2A.Z 是最古老的組蛋白之一，從酵母到哺乳動(dòng)物中都存在［131，137］。有研究表明，高達(dá)65%的活性ZGA基因與H2A.Z相關(guān)。小鼠中，H2A.Z在母本基因組上無(wú)明顯的積累，而父本基因組上富集的H2A.Z 也會(huì)在受精后被顯著擦除，隨后在ZGA 期間的親本基因組上無(wú)偏向性的積累。小鼠發(fā)育基因啟動(dòng)子上的H2A.Z 呈現(xiàn)出不同峰的類型。具有雙H2A.Z 峰的啟動(dòng)子會(huì)與H3K4me3 結(jié)合促進(jìn)轉(zhuǎn)錄激活；單H2A.Z 峰更有可能結(jié)合二價(jià)標(biāo)記（H3K4me3/H3K27me3）并抑制發(fā)育基因表達(dá)；無(wú)H2A.Z 積累的啟動(dòng)子則表現(xiàn)出持續(xù)的基因沉默。有趣的是，其他研究發(fā)現(xiàn)，H2A.Z 在ZGA期間的人、豬、牛、大鼠、猴和山羊的胚胎中也具有相似的轉(zhuǎn)錄激活特征。這強(qiáng)烈表明H2A.Z 在哺乳動(dòng)物早期胚胎中的保守作用［131］（圖5，6）。

Fig. 5 Accumulation of H2A.Z in mouse gametes and early embryos圖5 小鼠配子和早期胚胎中H2A.Z的積累

Fig. 6 Effects of accumulation of different types of H2A.Z peaks on gene expression圖6 不同類型的H2A.Z積累對(duì)基因表達(dá)的影響

5 ZGA與染色質(zhì)重塑

5.1 染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)經(jīng)過(guò)高度復(fù)雜的折疊，形成染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)分布于細(xì)胞核的不同區(qū)域。染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（topologically associating domains，TADs）、A/B 區(qū)室（A/B compartment）和染色質(zhì)環(huán)（chromatin loops）等［27，138］。其在調(diào)控增強(qiáng)子-啟動(dòng)子互作和基因表達(dá)上起著重要作用。

染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在成熟精子中可能具有高度的物種特異性。例如，存在于小鼠精子中的TADs，在非洲爪蟾、斑馬魚(yú)和人類精子中并沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)［139-142］。A/B 區(qū)室可以在斑馬魚(yú)、小鼠和人類精子中被檢測(cè)到，但在非洲爪蟾中卻沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)［140-142］。同樣，卵母細(xì)胞中存在的染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)，不同發(fā)育時(shí)期也各不相同。在小鼠完全生長(zhǎng)的初級(jí)卵母細(xì)胞中（full-grown oocytes，F(xiàn)GOs），TADs 和染色質(zhì)環(huán)都存在，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的染色質(zhì)區(qū)室，取而代之的是一種polycomb 關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（polycomb-associating domains，PADs）［143-144］。隨著FGOs 發(fā)育到MⅠⅠ卵母細(xì)胞時(shí)，TADs、PADs 以及A/B區(qū)室卻都發(fā)生了消失［142，145］。

與配子階段表現(xiàn)的差異相反，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)在不同物種的早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，似乎呈現(xiàn)一種保守狀態(tài)，即染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的重新建立。小鼠受精后，TADs 和A/B 區(qū)室信號(hào)都呈現(xiàn)高度弱化［143］，父本等位基因比母本顯示出更強(qiáng)的區(qū)室信號(hào)，且這種情況一直持續(xù)到8 細(xì)胞階段［145］。而在人類和豬ZGA發(fā)生前的胚胎中，TADs和A/B區(qū)室都沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，直到桑椹胚時(shí)期才檢測(cè)到清晰的信號(hào)［141，146］。類似的，許多研究表明果蠅、斑馬魚(yú)和非洲爪蟾也在ZGA時(shí)期重新建立了TADs和A/B區(qū)室［139-140，147］。以上結(jié)果暗示著染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化與ZGA 之間可能存在著潛在的調(diào)控關(guān)系［27］。但有趣的是，在小鼠、果蠅和非洲爪蟾中，ZGA被證明對(duì)全局建立TADs和染色質(zhì)區(qū)室并不是必需的［139-140，142，147］。因此，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與ZGA 之間是否存在關(guān)聯(lián)以及可能的調(diào)控機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究證明。

5.2 染色質(zhì)可及性和轉(zhuǎn)座子

染色質(zhì)可及性在建立和維持細(xì)胞身份方面起著至關(guān)重要的作用，它與增強(qiáng)子、啟動(dòng)子和染色質(zhì)結(jié)合因子等形成一個(gè)相互作用網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)同調(diào)控基因表達(dá)。哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，染色質(zhì)可及性呈現(xiàn)高度動(dòng)態(tài)變化［148］。在人類中，精子的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域數(shù)量相對(duì)較高，而卵母細(xì)胞的染色質(zhì)幾乎不開(kāi)放或開(kāi)放程度很低。受精卵時(shí)期出現(xiàn)了染色質(zhì)的短暫開(kāi)放，可及性的正式建立從2 細(xì)胞逐漸開(kāi)始，且在8 細(xì)胞和桑椹胚時(shí)期（人major ZGA 附近）達(dá)到頂峰［149-150］。牛卵母細(xì)胞和早期胚胎的染色質(zhì)可及性呈現(xiàn)出與人類相似的動(dòng)態(tài)模式。大體可表現(xiàn)為4 個(gè)方面：a. 卵母細(xì)胞、2 細(xì)胞~4 細(xì)胞階段的低染色質(zhì)可及性；b. 8 細(xì)胞~桑椹胚階段（牛major ZGA附近）的高染色質(zhì)可及性；c. 囊胚時(shí)期的低染色質(zhì)可及性；d. 囊胚期之后更高的染色質(zhì)可及性［36］。人類和牛的染色質(zhì)可及性存在許多共同特征，如ZGA 時(shí)期的染色質(zhì)可及性和基因表達(dá)之間顯著相關(guān)，而DNA 甲基化與啟動(dòng)子上的染色質(zhì)可及性則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)［36，78，149-150］。這可能暗示著，人類和牛ZGA 期間染色質(zhì)可及性轉(zhuǎn)變存在著保守機(jī)制，染色質(zhì)可及性的建立為ZGA 的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

許多研究表明，染色質(zhì)可及性與轉(zhuǎn)座子密切相關(guān)，多種類型的轉(zhuǎn)座子在植入前胚胎的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域顯著富集且高度轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)座子可以為轉(zhuǎn)錄因子提供結(jié)合位點(diǎn)，在一定程上起到增強(qiáng)子和啟動(dòng)子的作用，并有助于構(gòu)建染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)［151-153］。在人類中，LTRs 和短散在核元件（short interspersed nuclear elements，SⅠNEs）尤其是靈長(zhǎng)類動(dòng)物特有的Alu，在8細(xì)胞ZGA時(shí)期的遠(yuǎn)端開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域高度富集，內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（endogenous retroviruses，ERVs）K 和SVA（SⅠNE-VNTR-Alu，一種人類特有的ERV和Alu復(fù)合轉(zhuǎn)座子）也在8細(xì)胞和ⅠCM 階段得到富集且后續(xù)的表達(dá)量較高［150］。與人類相似的，LTRs、SⅠNEs 和長(zhǎng)散在核元件（long interspersed nuclear elements，LⅠNEs）也在牛8細(xì)胞ZGA時(shí)期富集于開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域［36］。同樣，小鼠2細(xì)胞時(shí)期相比于其他早期發(fā)育階段也含有數(shù)量最多的轉(zhuǎn)座子，且小鼠內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒L（murine endogenous retrovirus-L，MERVL）附近具有范圍最大的開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域（高達(dá)117 kb）［153-155］。

從以上3個(gè)物種的研究中不難發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)座子的富集與表達(dá)、染色質(zhì)可及性的轉(zhuǎn)變和ZGA 的發(fā)生時(shí)期存在一個(gè)明顯的重疊，這可能表明三者之間潛在的調(diào)控關(guān)系。最近的研究發(fā)現(xiàn)，MERVL 對(duì)小鼠ZGA和早期胚胎發(fā)育可能存在著重要影響［153］。敲低MERVL 導(dǎo)致2 細(xì)胞時(shí)期大量基因顯著下調(diào)，開(kāi)放染色質(zhì)區(qū)域明顯減少，造成ZGA 缺陷，并在囊胚形成前出現(xiàn)發(fā)育遲緩或停止發(fā)育的情況［28］。同樣，小鼠2細(xì)胞中LⅠNE1的表達(dá)也起到了促進(jìn)染色質(zhì)可及性增加的作用，并且LⅠNE1 在ZGA 后的耗盡也是胚胎發(fā)育的先決條件。但值得注意的是，LⅠNE1的轉(zhuǎn)錄激活似乎主要影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，合子基因表達(dá)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化［156］。因此，轉(zhuǎn)座子對(duì)合子基因組激活的影響仍需要進(jìn)一步研究。

6 ZGA與非編碼RNA

有研究發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生轉(zhuǎn)錄的基因中，僅有1.5%的堿基序列具有編碼蛋白質(zhì)的能力。這是由于DNA 轉(zhuǎn)錄過(guò)程中產(chǎn)生了大量的非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA）。近年來(lái)許多證據(jù)表明，ncRNA 在生殖細(xì)胞形成和胚胎發(fā)育過(guò)程中作用重大。

6.1 微RNA

微RNA（microRNA，miRNA）是一種小型的非編碼RNA，只有大概19~22個(gè)核苷酸的長(zhǎng)度，占所有脊椎動(dòng)物基因組的1%~3%，但它的功能和作用機(jī)制依然有很大空白。miRNA 主要在母源物質(zhì)的合子降解途徑中發(fā)揮作用。在斑馬魚(yú)的ZGA 期間，miR-430初級(jí)轉(zhuǎn)錄本大量表達(dá)。miR-430是斑馬魚(yú)中第一個(gè)已知的表達(dá)基因，也是早期發(fā)育過(guò)程中表達(dá)最豐富的miRNA 家族，調(diào)控著斑馬魚(yú)中許多母源因子轉(zhuǎn)錄［157］，miR-430基因的激活需要Pou5f3、SoxB1 和Nanog 的參與，這些因子通過(guò)激活miR-430的表達(dá)進(jìn)一步清除母源物質(zhì)并調(diào)節(jié)ZGA發(fā)生。miR-430的缺失會(huì)導(dǎo)致斑馬魚(yú)中數(shù)以百計(jì)的母源mRNA無(wú)法及時(shí)降解［68，158］，合子基因組不能完全激活，這表明miR-430不僅是母源RNA 清除所必需的，而且對(duì)于ZGA至關(guān)重要［159-161］。但有研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚(yú)中miR-430的轉(zhuǎn)錄本并不是所有minor ZGA基因激活所必需的［161］。

6.2 長(zhǎng)鏈非編碼RNA

長(zhǎng)鏈非編碼RNA （long non-coding RNA，lncRNA）是一種長(zhǎng)度在200~500 個(gè)核苷酸范圍內(nèi)的非編碼轉(zhuǎn)錄本。因缺少有效的開(kāi)放閱讀框，所以很少編碼或不能編碼蛋白質(zhì)［162-163］。許多l(xiāng)ncRNA比蛋白質(zhì)編碼基因序列進(jìn)化得更快，具有細(xì)胞類型特異性。一些lncRNA會(huì)與組蛋白修飾復(fù)合物互作影響發(fā)育基因的表達(dá)［162，164］。

在人類早期胚胎中，lncRNA 比蛋白質(zhì)編碼基因表現(xiàn)出更強(qiáng)的時(shí)間特異性，并且這種差異在小鼠中更為明顯。一些關(guān)鍵的lncRNA 會(huì)參與到人類ZGA當(dāng)中，起著核小體組裝和染色質(zhì)組裝的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，人類和小鼠major ZGA 時(shí)期富集的lncRNA 呈現(xiàn)顯著重疊，這也說(shuō)明了參與ZGA 的lncRNA 網(wǎng)絡(luò)在人類和小鼠早期胚胎之間的保守性［162，165］。在豬的4 細(xì)胞~8 細(xì)胞期間也發(fā)現(xiàn)了lncRNAXLOC_126976的富集，其可能發(fā)揮著調(diào)控因子的作用，介導(dǎo)著MZT的發(fā)生，lncRNAXLOC_126976的敲低造成了囊胚形成率顯著降低［164，166］。同樣，lncRNA與山羊早期胚胎的發(fā)育也密切相關(guān)。lnc_137敲低的胚胎，在8 細(xì)胞階段發(fā)現(xiàn)許多山羊ZGA 期間表達(dá)的基因發(fā)生了顯著下調(diào)，同時(shí)部分母源基因表達(dá)卻有所升高，最終導(dǎo)致胚胎發(fā)育停滯［167］。這也進(jìn)一步表明ncRNA 對(duì)于哺乳動(dòng)物ZGA的發(fā)生至關(guān)重要。

7 ZGA發(fā)生的時(shí)間模型

斑馬魚(yú)和果蠅等非哺乳動(dòng)物早期胚胎發(fā)育經(jīng)歷快速的細(xì)胞分裂，在此期間細(xì)胞周期被重塑。隨著逐漸減慢并進(jìn)入暫停的細(xì)胞周期，中囊胚轉(zhuǎn)換發(fā)生［168］。許多研究認(rèn)為，細(xì)胞周期與DNA 含量有關(guān)，即核質(zhì)比（nucleocytoplasmic ratio，N∶C）［11，169］。雖然核DNA 含量在每個(gè)周期都精確地翻倍，且細(xì)胞質(zhì)保持不變，但N∶C的比例是逐步增加的，這使得母源轉(zhuǎn)錄抑制因子濃度逐漸被稀釋，在達(dá)到一個(gè)閾值后，N∶C比可能會(huì)觸發(fā)ZGA以及后續(xù)的發(fā)育事件［2，9，14］。在非洲爪蟾和斑馬魚(yú)中，實(shí)驗(yàn)誘導(dǎo)N∶C比的變化導(dǎo)致中囊胚轉(zhuǎn)換時(shí)間相應(yīng)的提前或延遲［170］。ZGA的發(fā)生是細(xì)胞周期重塑和中囊胚轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵影響因素，ZGA 與細(xì)胞周期之間可能存在著協(xié)調(diào)互作的影響。

轉(zhuǎn)錄本積累量的多少取決于轉(zhuǎn)錄窗口的持續(xù)時(shí)間，細(xì)胞周期的改變會(huì)導(dǎo)致爪蟾、斑馬魚(yú)和果蠅ZGA時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的變化［171-172］。研究表明，如果細(xì)胞周期被人為暫停，大多數(shù)果蠅的ZGA 基因可以提前一個(gè)或兩個(gè)細(xì)胞周期被激活［173］。另一方面，ZGA 被認(rèn)為是細(xì)胞周期減慢的上游因素。在果蠅中，過(guò)早激活轉(zhuǎn)錄會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期減慢提前發(fā)生［174-175］。同時(shí)，N∶C 比會(huì)影響細(xì)胞周期長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)錄窗口的長(zhǎng)度，導(dǎo)致果蠅中某些基因的激活提前或延遲。但目前仍不清楚細(xì)胞周期的改變是如何影響轉(zhuǎn)錄起始的。已被證實(shí)的是，細(xì)胞周期長(zhǎng)度以及N∶C比會(huì)影響胚胎中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄本的長(zhǎng)度、數(shù)量和速率［169］。

除了細(xì)胞周期以及N∶C以外，另一種“母系時(shí)鐘”模型也可能調(diào)控著ZGA 的發(fā)生［2，14］。在斑馬魚(yú)早期胚胎發(fā)育的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一系列的生物化學(xué)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，這使得母源存在的轉(zhuǎn)錄激活因子可以不斷地被積累，當(dāng)積累到一定的閾值時(shí)會(huì)激活下游的ZGA。同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明了，為什么在受精后，ZGA 不會(huì)立刻被激活，而是需要經(jīng)過(guò)一定的發(fā)育時(shí)期。但目前這種模型機(jī)制是否適用于所有物種 當(dāng) 中 ， 仍 需 要 進(jìn) 一 步 的 實(shí) 驗(yàn) 研究［7，9，176-177］（圖7）。

Fig. 7 Mechanisms of ZGA occurrence in different timing models圖7 不同時(shí)間模型中ZGA發(fā)生的機(jī)制

8 展望

受精后的轉(zhuǎn)錄沉默過(guò)程中，表觀遺傳發(fā)生了劇烈的變化，基因組被重新編程，這為早期胚胎的進(jìn)一步定向分化做了準(zhǔn)備。從轉(zhuǎn)錄沉默到廣泛的基因表達(dá)的轉(zhuǎn)變需要精確的調(diào)控。ZGA 則是啟動(dòng)所有多細(xì)胞生物合子基因組調(diào)控的關(guān)鍵一步。表觀遺傳修飾和ZGA 相關(guān)因子對(duì)合子基因組激活的影響尤為重要。隨著高通量和單細(xì)胞等技術(shù)的飛速發(fā)展，研究者們對(duì)植入前胚胎發(fā)育過(guò)程中合子基因組激活有了更加深層次的理解，但仍有很多問(wèn)題尚未解決。特別是在不同物種中，表觀遺傳因素與ZGA之間的相關(guān)性和具體的調(diào)控機(jī)制方面，且MZT、ZGA 和細(xì)胞周期調(diào)控還沒(méi)有統(tǒng)一的模型闡述。另外，不同物種中主要的ZGA 激活因子和抑制因子仍知之甚少，其中的差異性和物種特異性也不太清楚。ZGA 相關(guān)因子結(jié)合位點(diǎn)的序列特征也影響著基因的表達(dá)，這也暗示著ZGA 基因潛在的序列調(diào)控機(jī)制。同時(shí)，染色質(zhì)重塑和轉(zhuǎn)座子與ZGA 之間的關(guān)聯(lián)也存在著大部分的空白，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。因此，深入研究表觀遺傳修飾、ZGA 相關(guān)因子等調(diào)控因素與ZGA 基因之間的關(guān)系，探索ZGA 基因中的序列調(diào)控機(jī)制，將有助于更深一步揭示早期胚胎合子基因組激活的奧秘。這也將為研究細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)變和早期胚胎調(diào)控機(jī)制提供更加堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。