黑箱渐开：表观基因组如何绘制胚胎发育蓝图

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人类与小鼠ZGA的差异化路径

有趣的是，不同哺乳动物物种的ZGA进程存在差异。在人类胚胎中，主要ZGA发生在4到8细胞期，但早在合子阶段就已检测到转录活性，并产生了正确剪接的转录本。这提示我们，在剪接调节方面，微弱和主要基因组激活之间的区别可能在小鼠和人类之间并不完全保守。

转座元件（Transposable Elements, TEs）的“狂欢”

植入前胚胎发育的一个显著特征是转座元件（TEs）家族的广泛转录。在小鼠、人类和猪胚胎中，最活跃的转座元件属于长末端重复序列（Long Terminal Repeat, LTR）家族的内源性逆转录病毒（endogenous retroviruses）。这些LTRs通常作为替代启动子和第一个外显子，导致产生新的蛋白质异构体。例如，小鼠内源性逆转录病毒MERV-L的MT2_Mm LTR，在2细胞期高度特异性表达，作为2细胞期转录组的很大一部分启动子，对胚胎植入前发育至关重要。此外，ZGA还涉及大量非编码RNA的转录，它们在调节基因表达中扮演着重要角色，例如U7小核仁RNA，它能通过染色质压缩调节ZGA。

RNA修饰的“秘密武器”

除了DNA和组蛋白修饰，RNA分子本身的化学修饰也构成了另一层重要的表观遗传调控。目前已发现超过100种RNA修饰，它们能够影响RNA的稳定性、加工、二级结构、相互作用和定位。其中，N6-甲基腺苷（N6-methyladenosine, m6A）是研究最广泛的一种。m6A修饰在小鼠卵母细胞和胚胎中广泛存在，并富集在合子基因组激活特异性基因和转座元件的转录本上，对其及时降解至关重要。研究发现，m6A修饰的耗尽或抑制会导致早期胚胎致死，这表明RNA修饰在调控染色质和DNA修饰方面提供了额外的调节层面，对发育至关重要。

精卵邂逅的“化学交响乐”：受精后的表观遗传重编程

精子和卵母细胞在受精时，分别携带了独特的染色质配置。受精后，这两个亲本基因组在合子中融合，但最初它们在物理上是分离的，并经历了显著的重编程。

父源基因组的“旧貌换新颜”：组蛋白与核小体的重构

精子基因组的特点是组蛋白（histones）被普遍替换为鱼精蛋白（protamines），以实现高度紧密包装。然而，研究表明，哺乳动物精子中仍有约2%到15%的组蛋白被保留下来。受精后，核小体（nucleosome）会在父源基因组上重新组装，其中HIRA介导的H3.3组蛋白掺入对从头核小体组装至关重要。此外，DAXX依赖的H3.3掺入到父源着丝粒周围异染色质（pericentric heterochromatin）中，对染色体稳定性也必不可少。

H3.3在合子中呈现非经典、基因组范围内的均匀分布，这可能是因为它在这一阶段是主要的H3形式。有趣的是，H3.3向更规范分布模式的重分布（例如在TSSs富集）发生在ZGA时，并且依赖于DNA复制，但独立于转录。而负责掺入H3.1和H3.2变体的复制依赖性伴侣CAF1（Chaf1编码）的下调，会导致小鼠胚胎干细胞表现出2细胞样表型，并部分重现合子和2细胞期胚胎特有的“模糊”（fuzzy）核小体定位。小鼠胚胎若缺乏CAF1活性，则无法发育超过桑葚胚期，并表现出转座元件上调，这凸显了CAF1在促进胚胎早期阶段抑制性组蛋白PTMs沉积中的潜在作用。

在组蛋白修饰方面，父源基因组在受精后被广泛超乙酰化（hyperacetylated）和低甲基化（hypomethylated），这建立起了亲本前核（pronuclei）之间的表观遗传不对称性。

母源基因组的“奇妙遗产”：组蛋白PTMs的独特景观

卵母细胞基因组含有核小体，但其组蛋白变体、PTMs和DNA甲基化的分布模式异于寻常。

DNA甲基化： 卵母细胞含有大片（10-50kbp）的DNA高度甲基化、低甲基化或部分甲基化区域。在小鼠卵母细胞中，高度甲基化区域与活跃转录区域相关。而在猪和牛卵母细胞中，高度甲基化区域也存在于非转录区域。低甲基化和部分甲基化区域则位于基因间区（intergenic regions），但也存在于非转录基因体和启动子中，包括与ZGA相关的基因，并被H3K4me3宽域所占据。

非经典H3K4me3宽域（ncH3K4me3 broad domains）： 在小鼠卵母细胞中，这些宽域覆盖了约20%的基因组，由KMT2B在卵母细胞生长过程中建立。它们的出现与卵母细胞基因组转录沉默的时间相吻合。有趣的是，通过表达去甲基化酶KDM5A移除小鼠卵母细胞中的H3K4me3，会导致全局转录激活，这表明H3K4me3可能与小鼠生殖系中的转录沉默有关。在猪和牛卵母细胞中也检测到ncH3K4me3宽域，它们与低水平DNA甲基化区域相关。但人类卵母细胞仅含经典的H3K4me3，主要富集在启动子。

非经典H3K27乙酰化（ncH3K27ac）宽域： 在小鼠和牛卵母细胞中也检测到，但人类卵母细胞中没有。然而，人类胚胎除了经典的H3K4me3在启动子富集外，ZGA之前还存在宽泛的ncH3K4me3和ncH3K27ac远端调控区域。这表明，虽然非经典组蛋白PTMs宽域并非在所有哺乳动物物种的同一阶段发生，但它们是受精前后哺乳动物表观遗传重编程的共同特征。

H3K27me3和H2AK119泛素化（H2AK119ub）宽域： 在小鼠卵母细胞中，它们覆盖了约三分之一的基因组。ncH3K27me3富集在基因间区、非经典印记基因和缺乏DNA甲基化的非转录启动子，且与ncH3K4me3不重叠。这种组蛋白PTMs景观使得卵母细胞中的染色质处于一种“二价态”（bivalent state），并一直持续到植入后囊胚期。

H3K36甲基化（H3K36me）： 在小鼠卵母细胞的表观基因组调控中扮演关键角色。SETD2催化的H3K36me3在生长卵母细胞的转录基因体上发现，并在卵母细胞转录沉默后持续存在。H3K36me3积累与ncH3K4me3和ncH3K27me3宽域呈负相关。值得注意的是，H3K36me2和H3K36me3招募DNMT3A以指导这些转录基因体的DNA甲基化。H3K36甲基化的缺失会导致小鼠卵母细胞DNA甲基化景观发生显著改变，表明H3K36me3在为下一代建立表观基因组中发挥作用。

受精后的“染色质变奏曲”：可及性与核小体定位的动态重塑

精子和卵母细胞的表观基因组在受精时具有不同的染色质状态，合子亲本前核间也存在染色质不对称性。然而，受精后，这两个亲本基因组都会经历显著的重塑。

染色质可及性： 在小鼠中，染色质可及性图谱在受精后6小时内，两个亲本前核在全局层面变得大致相似。但在人类胚胎中，父源染色质在4细胞期之前保持比母源染色质更强的可及性。ZGA之前的胚胎，无论小鼠、人类还是牛，其全局染色质景观都非常规，ATAC-seq信号“微弱而嘈杂”，峰值较少，基因组覆盖率降低。

核小体定位： 早期2细胞期小鼠胚胎的核小体定位具有“模糊”的特点。随着发育的推进，核小体间距的规律性以及TSS下游清晰定义的+1核小体（+1 nucleosome）在小鼠和人类胚胎中逐渐出现。

基因组的“交通管制”：染色质三维组织与复制时间

染色质在核内的三维（3D）组织提供了表观遗传调控的额外层面。基因组折叠形成高度保守的组织结构，包括染色体区域（chromosome territories）、拓扑关联域（topologically associating domains, TADs）和A/B区室（A/B compartments）。

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