植入前胚胎中的转录程序对保证胚胎发育潜能起着关键调控作用。在小鼠和人类早期胚胎合子基因组激活（Zygotic genome activation, ZGA）的过程中，ZGA 基因的短暂表达对于建立和维持全能性有不可或缺的作用。最近，关于小鼠早期胚胎中RNA 聚合酶 II（Pol II）在染色质上结合模式的研究显示Pol II 在有效激活基因组之前显示出预配置的模式，但植入前胚胎中究竟有哪些活跃转录的基因仍不清楚。
2025年1月16日，华中科技大学同济医学院周立全/殷樱/马冰馨在Cell Reports 杂志上发表了题为“Deciphering transcription activity of mammalian early embryo unveils on/off of zygotic genome activation by protein translation/degradation”的研究成果。该研究提出了在RNase free条件下通过定量染色质上转录延伸期磷酸化Pol II的信号富集来反映卵母细胞和早期胚胎基因转录活性的方法，简称为RfTAC-seq；系统地绘制和解析了小鼠和人类早期胚胎发育过程中转录的动态变化图谱，并从表观遗传修饰、转录动态及蛋白质代谢多个维度，揭示了蛋白质翻译和降解在ZGA基因激活和沉默过程中的调控作用，为理解胚胎发育早期的基因调控网络提供重要的技术支持和理论指导。
本研究显示，RfTAC-seq可以通过检测丝氨酸（Serine 2）磷酸化的转录延伸期Pol II 在基因组上的富集来定量基因的转录活性，从而比Pol II本身或组蛋白修饰更精确地鉴定早期胚胎具有转录活性的基因。本研究绘制了小鼠不同发育阶段的全基因组转录活性图谱，并发现在E2C-to-L2C和8C-to-Morula阶段有两波转录活动明显增强，表明了发育程序的周期性协调；根据单个基因的动态转录活动生成了6个基因簇，其中包括在全能性的建立和维持中发挥重要作用的ZGA-E2C （对应minor ZGA）和 ZGA-L2C（对应major ZGA） 两个ZGA基因簇，以及Maternal（母源性基因）和MGA（植入前中期基因激活）基因簇等。特别的是，人类胚胎中也存在类似的 RfTAC-seq 信号富集模式，并且发现早期胚胎的初始转录波早在人类2细胞阶段就被激活。关于小鼠胚胎干细胞（mESC）中2CLC细胞（2细胞样细胞）亚群的分析显示，mESC的全能性亚群具有ZGA-E2C（而非ZGA-L2C）的富集，而活细胞实时动态成像实验显示2CLC亚群的丰度同时受到了全能性进入和全能性退出的双重影响。根据药物处理实验，发现小鼠中ZGA的激活和沉默过程均受到蛋白质翻译/降解事件的调节，而母源性衰老的人类胚胎中也发现了蛋白质翻译/降解功能的受损。进一步分析发现，小鼠早期胚胎的母源性衰老诱发的蛋白翻译/降解异常可以通过影响 RNA 剪接来调控 ZGA的激活和沉默，从而影响早期胚胎发育，而 CDK9 可能是 RNA 剪接事件的关键下游因子之一。母源性衰老人类胚胎的蛋白质谱结果提示母源性衰老可能导致线粒体动力学调节因子表达水平异常，并干扰蛋白质翻译/降解过程来影响ZGA的活性。此外，转录抑制剂处理结果显示， 1到2细胞期小鼠胚胎ZGA的有效激活保证了4细胞期ZGA-E2C（而非ZGA-L2C）的有效沉默。总之，本研究中为了检测和量化微量胚胎细胞中单个基因的转录活性，提出了RfTAC-seq 的方法来定量哺乳动物基因组中活跃延伸的 Pol II 的富集情况。系统地分析了小鼠和人类植入前胚胎的转录活动模式，并阐明了ZGA的建立和维持受蛋白质翻译/降解的调控，而母体衰老可能会通过此途径影响胚胎的 ZGA 活性。该研究为哺乳动物植入前胚胎中 ZGA 基因的转录调控研究提供了新视角。华中科技大学同济医学院生殖健康研究所硕博连读研究生张奕然、出站博士后郭诗萌、博士研究生时晓燕为该论文的共同第一作者。华中科技大学同济医学院生殖健康研究所周立全、华中科技大学同济医学院基础医学院殷樱以及华中科技大学同济医学院附属同济医院马冰馨为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目、国家卫生健康委员会出生缺陷预防重点实验室开放基金，以及华中科技大学学术前沿青年团队支持计划的资助。（文图：张奕然、丁奕文）https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(24)01566-3
