在生命之初，胚胎中最早的轉錄因何觸發

在一段生命旅程開始之初，精子細胞刺穿卵細胞，它們的遺傳物質融合。然而，在之後的一段時間，所獲得的DNA一直保持沉默：受精卵或早期胚胎中的基因不被轉錄。科學家也不清楚，是什麼最終啟動了這一過程。

最近發表在《Nature Genetics》上的三項研究深入探索了這一過程。研究人員報告了一個基因DUX4，它似乎推動了第一張多米諾骨牌。轉錄因子DUX4是胚胎基因組激活的一個新型調控因子。科學家認為，它有望將細胞重編程到全能狀態。

意外發現

對於果蠅和斑馬魚等非哺乳動物，母體因素觸發了胚胎中轉錄的開始。不過對於人類，沒有人知道它是如何開始的。

猶他州大學的Bradley Cairns主要利用斑馬魚研究全能性，特別是染色質和表觀遺傳學的作用。五年前，他開始利用人體細胞進行研究。利用患者捐贈的早期胚胎，Cairns希望確定是什麼驅動了轉錄起始。他們從IVF診所收集了卵母細胞和不同發育階段的早期胚胎。

利用一種新型的RNA測序，Cairns的團隊構建了一個高質量的轉錄本庫。之後，利用主成分分析（PCA）和聚類分析，他們發現在卵裂期前後，轉錄的基因發生了非常大的變化。「很明顯，卵裂期發生了一些大事。」Cairns說。

這時細胞仍然是全能性的，因此研究人員希望找到推動這一時期的最重要調控因子。他們發現，DUX4基因的結合位點高度集中在卵裂期表達的基因上游。Cairns了解到，對於面肩肱型肌營養不良症的患者，DUX4不適當開啟，激活那些通常只在胚胎極早期打開的基因和反轉錄轉座子。這會導致肌肉細胞的凋亡，從而引發疾病。

不過沒有人了解DUX4蛋白的正常功能。Cairns的團隊不久後發現，如果DUX4在人誘導幹細胞（iPSC）中過表達，它就會激活相當一部分與胚胎基因組激活相關的基因和反轉錄轉座子，讓細胞看起來就像二細胞期。

隨後，研究人員轉向小鼠開展功能研究：當胚胎基因組激活時，小鼠二細胞期的DUX表達達到峰值。當DUX在小鼠胚胎幹細胞（ESC）中過表達時，他們看到了與人ESC和iPSC相似的基因表達變化。

「我們一開始沒有打算研究DUX；我們並不熟悉它，」Cairns說。「我們的假設是，通過獲取早期胚胎髮育期間的高質量轉錄組，我們能夠挖掘出那些重要的轉錄因子和染色質因子，它們有可能推動這些過程。」

「這篇論文確定，DUX的正常功能是在小鼠和人類早期胚胎中作為第一批轉錄因子（如果不是第一個），在這兩種情況下，它們進入細胞周期，引起隨後的轉錄級聯。因此，我們認為它是在轉錄等級的最高層，」Cairns說。

曇花一現

瑞士洛桑聯邦理工大學的Didier Trono也在研究DUX的功能。他發現，DUX對於胚胎基因組的轉錄激活很重要。在哺乳動物的生命之初，DUX在短時間內發揮作用，使得隨後幾小時生成蛋白質。如果一切順利，它將保持沉默。「這也許是我們生命中表達時間最短的基因，」Trono說。

Trono及其團隊利用CRISPR/Cas9來敲除小鼠ESC中的DUX，防止細胞進入二細胞的狀態。此外，這阻斷了桑椹胚/囊胚期，以及一些典型的胚胎基因組激活變化。「讓人困惑的是，DUX在很早就表達出來，且時間很短。因此，我們不得不在受精後快速地將它敲除，」Trono說。

Cairns在修改他的文章時，通過同事得知了Trono的工作。他聯繫了Trono，交換了一些數據，並發現他們對DUX的研究結果一致。這兩篇論文如今發表在同一期的《Nature Genetics》上。「這些論文是完全互補的，」Cairns說。

在同期發表的第三篇論文中，Fred Hutchinson癌症研究中心的Stephen Tapscott展示了小鼠DUX和人DUX4之間的活性差異。當小鼠DUX在小鼠細胞中過表達時，它激活相關的反轉錄轉座子，但人DUX4沒有。

Tapscott的工作為DUX的演化提供了一些初步線索。古老的DUX可能調節卵裂期的基因轉錄，但是小鼠DUX和人DUX4在獲得了調節反轉錄轉座子的能力之後，它們的力量一下子變大了。

未來方向

現在的問題是：誰激活了小鼠DUX和人DUX4？也許是開放的染色質狀態讓DUX得以激活，並啟動胚胎基因組激活。Cairns認為DUX4在表觀遺傳學上可以利用，而一個母體遺傳的轉錄因子將其打開。他正在進行這方面的研究。

了解DUX如何工作，這將改善體外受精，並協助克隆和細胞重編程。「也許人類許多不育症的病例與這個基因的激活有關，了解這方面的知識，將有助於診斷不育症，並提供IVF的效率，」Trono說。「同時，這也是生命如何開始的基礎，這是一條重要信息。」

原文標題

Conserved roles of mouse DUX and human DUX4 in activating cleavage-stage genes and MERVL/HERVL retrotransposons

DUX-family transcription factors regulate zygotic genome activation in placental mammals

Conservation and innovation in the DUX4-family gene network

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