新干细胞命运的获得依赖于维持现有细胞命运的调节网络的解体。目前,围绕合子基因组激活(ZGA)时期的全能性调控网络已经揭示。然而,如何触发全能性网络的解体以确保ZGA后的及时胚胎发育在很大程度上是未知的。2023年6月20日,浙江大学梁洪青、张丹及新加坡科学技术研究局Shen Yang共同通讯在Nature Communications 发表题为“Selective binding of retrotransposons by ZFP352 facilitates the timely dissolution of totipotency network”的研究论文,该研究确定了高表达的2细胞(2C)胚胎特异性转录因子ZFP352在促进全能性网络解体方面的意想不到的作用。该研究发现ZFP352对两个不同的逆转录转座子亚家族具有选择性结合。
在没有DUX的情况下,ZFP352改变了与SINE_B1/Alu亚家族的亲和力。这导致后期发育程序的激活,如泛素化途径,以促进2C状态的解体。相应地,小鼠胚胎中ZFP352的消耗会延迟2C到桑葚胚的过渡过程。因此,通过结合从MT2_Mm转移到SINE_B1/Alu,ZFP352可以触发全能性网络的自发解体。该研究强调了不同逆转录转座子亚家族在促进早期胚胎发生过程中及时和程序性细胞命运转变的重要性。干细胞命运转变包括两个相互依赖的过程:现有细胞命运的破坏和新细胞命运的出现。虽然决定新细胞命运的调控途径和基因的激活起着关键作用,但先前细胞状态的解体至关重要。两个事件之间的精确触发和协调是准确有效的细胞命运转换的基础。正如先前的研究所揭示的那样,现有干细胞命运的解体不是一个被动的稀释过程,而是需要主动的分子机器。同样,在ZGA后的早期胚胎中,细胞逐渐退出全能状态,进行第一个谱系选择,分化为胚胎外命运或内细胞团。如何触发全能网络的解体,以及退出全能性状态是否涉及特定的监管机制,在很大程度上仍然未知。
由MERVL报告基因激活标记的小鼠全能样细胞的鉴定为2C期胚胎提供了体外全能性替代模型,它极大地扩展了对全能性调控的理解。据报道,多种机制可将多能小鼠胚胎干细胞(mESCs)重编程为全能性状态。目前对全能性转录的理解集中在一些2C特异性转录因子,如DUX,RARG和ZSCAN4家族。激活后,这些位于2C转录网络中心节点的转录因子可以重新强化彼此的表达,也可以重新连接其他2C基因的表达。随后,随着4C和后来的发育基因的激活,维持2C胚胎的全能性转录网络不稳定。然而,转录状态从2C到后期胚胎的转变是如何通过分子启动的,以及转录独立程序是否参与全能性解体过程目前仍有待研究。在哺乳动物基因组中,反转录转座子在非编码基因组中占很大比例,并且它们已被证明在各种物理和病理条件下引起功能。在早期胚胎发生过程中,不同类别和家族的逆转录转座子被激活,具有高发育阶段特异性。虽然早期胚胎发生中的染色质减损是增强反转录转座子活化的许可条件,转录因子可能是各种反转录转座子亚家族精确和时间激活的关键驱动因素。MT2_Mm/MERVL亚家族被全能性转录因子特异性激活,并已用作 2C 阶段特异性标志物。MT2_Mm/MERVL在功能上也与2C转录网络有关。然而,逆转录转座子的其他亚家族如何在早期小鼠胚胎中被特异性激活,以及它们是否在早期胚胎发生期间在塑造细胞状态特异性功能和效力方面专门扮演不同的角色尚未得到广泛揭示。
该研究表明ZFP352在2C转录网络中具有意想不到的作用。ZFP352对两种不同的逆转录转座子具有结合亲和力。研究发现ZFP352与DUX协调,以2C状态结合MT2_Mm子家族。当DUX表达低时,ZFP352单独表现出与SINE_B1/Alu亚家族的广泛结合,激活SINE_B1/Alu附近的后期发育基因以促进2C状态的解体。该研究揭示了转录因子(如ZFP352)通过不同的反转录转座子亚家族的动态连接如何促进及时和程序化的细胞命运从全能状态过渡的机制。综上所述,研究采用了体外全能性模型和小鼠胚胎,为早期发育过程中逆转录转座子的调节和功能提供了见解。它也为临床条件下不明原因的植入前发育失败提供了不同的剖析角度。