主要观点总结
本文介绍了科学家利用创新的scNanoATAC-seq2技术，成功绘制了小鼠早期胚胎发育过程中单细胞分辨率的染色质可及性图谱，揭示了合子基因组激活、细胞谱系分化、X染色体失活等关键生命事件背后的表观遗传调控网络，并解析了基因组中重复序列和旁系同源基因的功能，为理解生命起源和发育相关疾病的研究提供了重要依据。
关键观点总结
关键观点1: 技术突破和赋能探索
scNanoATAC-seq2技术的开发和应用，为稀有、动态变化的细胞样本（如早期胚胎）提供了高质量的单细胞表观遗传信息，为其他发育过程或稀有细胞群体的研究开辟了新道路。
关键观点2: 绘制高清'地貌图'
研究系统地描绘了小鼠胚胎发育早期（从合子到囊胚）的染色质开放'地貌'，鉴定出数十万个潜在的调控元件，为理解早期发育的基因调控网络提供了宝贵的资源库。
关键观点3: 揭示关键'指挥官'
研究系统性地识别了在每个发育阶段和细胞谱系中可能发挥关键作用的转录因子，描绘了它们的活性动态，揭示了调控网络的层级性和时序性。
关键观点4: 阐明XCI精妙机制
研究首次揭示了iXCI调控从早期依赖Xist结构域到晚期（胚外谱系）依赖Tsix结构域的精妙转换机制，深化了我们对基因剂量补偿的理解。
关键观点5: 点亮'基因组暗物质'
研究利用长读长测序的优势，解析了重复序列的染色质状态，证实了它们在早期发育中的活跃参与和潜在的顺式调控功能，为理解这些长期被忽视的基因组成分提供了新的视角。
关键观点6: 区分'克隆军团'
该技术成功区分了序列高度相似的旁系同源基因，揭示了它们各自的染色质状态和协同激活模式，为研究基因家族的功能和进化提供了新工具。
正文
ZGA并非一蹴而就，在小鼠中，它分为两个波次：一个发生在单细胞晚期的“小规模”激活（minor ZGA），和一个发生在2细胞中晚期的“大规模”激活（major ZGA）。这个过程伴随着剧烈的染色质重塑和表观遗传状态的改变。那么，是谁在这个“清晨时分”，按下了生命程序的启动按钮呢？
利用scNanoATAC-seq2的高分辨率数据，研究者们捕捉到了ZGA期间染色质开放状态的动态变化。他们发现：
关键调控因子的“舞台搭建”：
一些被认为在ZGA中扮演重要角色的转录因子基因，其自身的染色质可及性模式与它们下游靶基因结合位点的可及性模式高度相关。例如，对ZGA至关重要的 Obox 基因家族成员，如 Obox6，在minor ZGA期间（早期2细胞阶段）其附近的染色质区域就开始变得开放。有趣的是，scNanoATAC-seq2的长读长优势还帮助研究者识别出了一些之前被短读长技术忽略的 Obox6 潜在增强子 (enhancer) 区域。此外，其他ZGA相关的转录因子，如 Obox5, Zscan4c, Sp1, Myc, Ep300, Nr5a2 等，它们的基因区域及其结合位点的染色质开放模式在合子到2细胞阶段也表现出协同变化，暗示了它们在启动ZGA基因表达网络中的潜在作用。
染色质开放“抢跑”基因表达：
通常我们认为，染色质先开放，然后基因才开始表达。但研究者发现，对于一部分ZGA相关基因，染色质的开放似乎“抢跑”了。例如，组蛋白去甲基化酶基因 Kdm5b 在早期2细胞阶段其调控区域就已开放，但它的RNA表达量直到晚期2细胞阶段才显著增加。类似的“时间差”现象也出现在 Obox6, Crxos, Tcstv3 等基因上。这表明，染色质的提前开放可能是在为后续大规模、快速的基因激活“预先铺路”，让转录机器能够迅速就位。
表观遗传修饰的“指挥棒”：
ZGA期间染色质的开放状态主要受哪些表观遗传标记调控呢？通过整合分析已有的数据，研究发现组蛋白H3第27位赖氨酸乙酰化 (H3 lysine 27 acetylation, H3K27ac)——一种通常与基因激活相关的标记，以及RNA聚合酶II (RNA polymerase II, RNAP II)——负责转录基因的酶，这两者的富集程度与染色质的开放密切相关。而与基因沉默相关的H3K27me3则呈现负相关。这进一步证实了表观遗传修饰在ZGA调控中的核心作用。
转录活动本身是染色质开放的“稳定器”：
研究者使用α-鹅膏蕈碱 (α-amanitin) 和DRB这两种药物抑制胚胎中的RNAP II转录活性。结果发现，被抑制的晚期2细胞胚胎，其染色质开放模式竟然“倒退”回了合子阶段的状态，并且有 5269个 基因位点未能按时打开。这有力地证明了，ZGA期间染色质状态的建立和维持，不仅需要特定的转录因子引导，也依赖于转录活动本身。
人鼠ZGA：殊途同归？：
比较小鼠和人类的ZGA过程，研究者发现，尽管两者RNAP II依赖的关键ZGA基因列表重叠度不高（只有438个基因是共通的），但这些保守的基因所参与的生物学过程却高度相似，主要富集在RNA剪接 (RNA splicing)、核糖体生物合成 (ribosome biogenesis)、翻译起始 (translational initiation) 等基础生命活动中。这提示我们，尽管物种间ZGA的具体基因程序有所差异，但其核心目标和调控逻辑可能具有一定的保守性。
这些发现共同描绘了一幅ZGA时期动态而复杂的基因调控图景，揭示了转录因子、表观遗传修饰和转录活动本身如何协同作用，唤醒沉睡的基因组，为后续的生命发育奠定基础。
小鼠胚胎基因表达调控
（Credit: Science
）
命运的分岔路口：细胞如何选择成为“我”或“我们”？
当胚胎发育到囊胚 (blastocyst) 阶段时，它迎来了第一次重要的“命运抉择”。原本均一的细胞开始分化成两个截然不同的群体：内部的一小群细胞形成了内细胞团 (Inner Cell Mass, ICM)，它们是“全能”的种子，未来将发育成为胎儿的所有组织和器官；外部的一层细胞则形成了滋养外胚层 (Trophectoderm, TE)，它们将主要形成胎盘等胚外结构，为胎儿提供营养和支持。紧接着，ICM内部又会发生第二次分化，形成上胚层 (Epiblast, EPI)——真正发育为个体的细胞，和原始内胚层 (Primitive Endoderm, PE)——形成卵黄囊等结构。
细胞是如何做出这些关键的命运选择的？
表观遗传调控在其中扮演了核心角色。scNanoATAC-seq2技术，凭借其单细胞分辨率和记录每个细胞来源胚胎信息的能力，为研究这一过程中的细胞异质性 (heterogeneity) 提供了强大的武器。
异质性的萌芽：
早在16细胞阶段，虽然大多数细胞在整体聚类上还难以明确区分，但通过分析特定谱系标记基因（如ICM和TE的标记）的染色质开放程度，研究者已经能在单个胚胎内部观察到细胞状态的差异，即谱系分化的“苗头”已经出现。这比之前认为的要更早。
谱系特征的建立：
随着发育的进行，不同谱系的细胞展现出独特的染色质开放模式。例如，在ICM中，多能性关键基因如 Sox2, Lgr4, Gdf3 等区域更加开放；而在TE中，与滋养层发育相关的基因如 Jak1, Krt8, Krt18, Tfap2a, Gata2 等则显示出更高的染色质可及性。当ICM进一步分化时，EPI细胞维持了 Sox2, Fgf4, Nanog 等多能性基因的开放状态，而PE细胞则下调这些基因，同时上调了 Gata6, Pdgfra 等与原始内胚层相关的基因的染色质可及性。这些变化与已知的RNA表达模式高度一致，证明了染色质可及性在指导细胞命运决定中的基础性作用。
关键转录因子的“自我调控”与“指挥网络”：
研究者深入分析了一些谱系决定性的转录因子，如EPI中的 Nanog 和TE中的 Gata3。他们不仅观察到这些基因本身的染色质在特定谱系中变得更加开放（例如，Nanog 在EPI中比在PE中更开放，Gata3 在TE中比在ICM中更开放），还发现这些转录因子下游靶基因结合位点的开放程度也表现出相应的谱系特异性。这揭示了一个“指挥网络”：这些关键转录因子不仅被调控，它们一旦被激活，又会去调控下游一系列基因的表达，从而巩固细胞的谱系身份。有趣的是，对于 Nanog 来说，其基因本身的开放似乎比其下游靶点结合位点的开放要更早一些，这再次暗示了表观遗传调控中可能存在的“预备”机制。
增强子的动态调控：
除了基因启动子区域，增强子 (enhancer)——那些远离基因但能调控基因表达的DNA序列——在细胞命运决定中也发挥着关键作用。研究识别出了一些在ZGA时期就被激活，并持续开放到囊胚阶段的增强子，它们可能受到 CTCF, YY1, RXRA 等因子的调控。更重要的是，他们发现许多增强子的活性是动态变化的，呈现出明显的细胞类型特异性。为了验证这些计算预测的增强子是否真的具有活性，研究者挑选了14个在多能性EPI细胞中开放的增强子候选区域（位于 Klf2, Klf5, Zfp57, Fgf4 等关键基因附近），并在胚胎干细胞中进行了实验验证，结果 8个 候选区域（超过一半）被证实具有真实的增强子活性。
这些结果生动地展示了在细胞命运的十字路口，染色质可及性如何作为基因表达的“开关”，在关键转录因子和增强子的协同作用下，精确地引导细胞走向不同的发育路径，最终构建出复杂而有序的生命体。
在哺乳动物中，性别由性染色体决定：雌性通常拥有两条X染色体 (XX)，而雄性则是一条X染色体和一条Y染色体 (XY)。为了平衡雌性细胞中两条X染色体带来的双倍基因剂量，雌性胚胎在发育早期会经历一个称为X染色体失活 (X Chromosome Inactivation, XCI) 的过程，随机地将其中一条X染色体“沉默”掉，使其上的大部分基因不再表达。这个过程确保了雌性和雄性细胞中X染色体基因的表达水平相当。
有趣的是，在小鼠的早期胚胎中，这种失活并非完全随机，而是具有“印记”特征 (imprinted XCI, iXCI)：优先失活来自父亲的那条X染色体 (paternal X chromosome, Xp)。这条被失活的Xp在后续发育中，命运又会因细胞谱系的不同而有所区别：在形成胎盘等胚外组织的TE和PE细胞中，它会一直保持沉默状态；而在将发育成胎儿本身的EPI细胞中，它则会经历一个“重新唤醒”（reactivation）的过程。
