染色质重塑因子对哺乳动物配子发生及早期胚胎发育进程影响的研究进展2024.docx

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1、染色质重塑因子对哺乳动物配子发生及早期胚胎发育进程影响的研究进展2024摘要真核生物中染色质重塑因子种类繁多,根据ATP酶和其他组成蛋白亚单位的不同大致可以分为四类：SWISNFISWKCHD和INO80。不同的染色质重塑因子在不同的层面通过对染色质结构的改变来影响基因转录调控等，以确保细胞内各种生物学进程的准确运行。目前，关于染色质重塑因子在哺乳动物配子发生及早期胚胎发育过程中发挥作用的研究尚不普遍。本文将以四类染色质重塑因子为切入点对此进行简单综述，为深入了解染色质重塑因子在生殖发育等方面的功能提供理论依据。【关键词】染色质重塑因子；配子发生；早期胚胎发育；哺乳动物真核细胞中，大量组蛋白可

2、以规律性地结合遗传物质，形成以核小体为基本单位的染色质。在基因表达复制和重组等过程中，核小体和组蛋白及对应的DNA分子发生的一系列改变的过程，被称为染色质重塑。染色质重塑依赖于真核生物在进化过程中产生的染色质重塑酶和一些相关的蛋白因子。其中有一类蛋白质可以利用ATP水解产生的能量驱动核小体在DNA上的移动，或者介导核小体中组蛋白变异体与经典组蛋白互换，被称为ATP依赖性染色质重塑因子。目前真核细胞中ATP依赖性染色质重塑因子根据ATP醐和其他组成蛋白亚单位的不同大致可以分为四类:SWI/SNF(switch/sucrosenonfer-mentable)、ISWI(imitationswitc

3、h)CHD(ChromdomainhelicaseDNA-binding)和INo80(inositol-requiring80)lo配子发生和早期胚胎发育期间存在许多关键性生物学事件，如减数分裂、合子基因组激活、谱系分化等。染色质重塑因子在基因转录调控中起到了关键性的作用，但其在哺乳动物配子发生及早期胚胎发育过程中所发挥的作用尚不清晰，本文将综合已发表的关于染色质重塑因子对哺乳动物配子发生和早期胚胎发育的影响展开综述。一.SWISNF复合物与配子发生及早期胚胎发育研究表明编码哺乳动物SWI/SNF亚基的29个基因产物组成了典型Brg/Brahma相关因子(canonicalBrg/Brahm

4、a-associatedfactors,cBAF)多漠相关BAF(polybromo-associatedBAF,PBAF)和非典型BAF(non-canonicalBAF,ncBAF)三种复合物，除了常见和复杂的特异性亚基，这3个复合物都含有两个共同的催化亚单位：BRG1/SMARCA4或BRM/SMARCA22o2012年有报道指出BRGl在小鼠精子发生中发挥重要作用，当睾丸敲除BRGl会导致减数分裂缺陷,且与DNA双链断裂(double-strandbreak,DSB)修复等潜在缺陷相关3o2019年，MenOn等4对BRGl的缺失导致精子减数分裂缺陷的研究结果表明，BRGl可通过激活关

5、键干细胞因子Zbtb16和Id4来调控未分化精原细胞的维持,并且BRGl可通过与SCML2的相互作用调节H2AK119ubl和H3K27aco同时，ChlP-Seq结果表明当BRGl缺失时，H2AK119ublH2BK120ubl和H3K27ac的转录产物丰度都发生了显著变化。由此可以确定BRGl可以通过影响表观遗传修饰物的定位和表达来影响雄性表观基因组。作为SWI/SNF亚基复合体PBAF中一种复杂的特异性亚单位ARlD2,也被发现在精子减数分裂过程中发挥作用。2021年，DebaShiSh等5研究表明，在小鼠精原细胞中特异性敲除ARID2会导致睾丸中几乎不存在次级精母细胞和精子细胞,且精母

6、细胞的纺锤体组装和染色体都存在异常；并且还观察到ARID2在减数分裂期间调节蛋白磷酸酶的丰度。PBAF在定向基因调控精子减数分裂方面存在新的机制值得深入研究。2006年Bultman等6利用Cre-IoxP的方法，获得了BRGl特异性突变的卵母细胞。这些卵母细胞虽能进行正常的减数分裂及受精，但由于涉及转录、RNA加工和细胞周期相关基因表达降低,卵母细胞停滞在2-4-细胞阶段，表现出合子基因组激活(zygoticgenomeactivation,ZGA)缺陷。母源BRGl的耗竭对组蛋白乙酰化的整体水平没有影响，但H3K4me2发生了下调，这一过程中可能存在其他代偿机制。此外，ARIDlA作为复合

7、体CBAF中一种复杂的特异性亚单位，2017年有课题组研究了其对猪的卵母细胞和胚胎发育的影响7。与生发泡期卵母细胞相比，猪4-细胞胚胎中ARIDlA的转录水平显著降低，但与囊胚期没有差异。在成熟卵母细胞中靶向注射ARlDIA的干扰RNA后观察到ARlDIA的缺失会导致胚胎发育阻滞，只有2%的胚胎发育超过8-细胞期且无法形成囊胚。虽然目前尚无关于此结果的机制研究，考虑到ARlDlA的转录水平在人和小鼠上具有一致的趋势,对人类和小鼠的研究也发现ARIDlA参与组蛋白H2BK120、H3K4和H3K27不同程度的甲基化，这些表观遗修饰之间的相互作用的研究在未来一定可以更加清晰地揭示配子发生、胚胎发育

8、过程7o二.ISWI复合物与配子发生及早期胚胎发育哺乳动物中ISWI家族由两个同源物组成：SNF2H/SMARCA5和SNF2LSMARCAI,它们在蛋白质水平上有80%一致性SNF2H由ATP依赖染色质组装和重塑因子(ATP-UtiliZingchromatinassemblyandremodelingfactor,ACF)、染色质可接近性复合物(chromatinaccessibilitycomplex,CHRAC)等重塑复合物组合而成8。ACF和CHRAC首次在果蝇中被发现，哺乳动物中的BAZlA是ACF和CHRAC复合物的亚单位。有研究曾经通过产生具有靶向BAZl突变的小鼠来检测该复合

9、物的生理功能，研究表明BAZlA对于精子发生至关重要9oBAZlA突变小鼠的精子会表现出一系列头部、尾部形态异常，并且许多基因发生了错误的调控。但具体的调控网络尚不清晰，需要进行深入研究9o2009年,有研究学者在小鼠和人类卵母细胞中检测到了Snf2h和Snf21,但当时并没有证据表明Snf2h和Snf21参与哺乳动物卵母细胞减数分裂的调控口0。2020年，Zhang等11首次证实Snf2h在调节减数分裂细胞周期进展中确实起着关键作用。小鼠卵母细胞缺乏Snf2h会导致减数分裂无法顺利进行。测序及定量结果显示，Snf2h的缺失使得减数分裂相关基因失调，引起了减数分裂相关蛋白如PrkacaPrka

10、r2b和CyclinB2丰度发生明显变化。环腺甘酸-蛋白激酶A-成熟促进因子(cyclicAMP-proteinkinaseA-maturepromotingfactor,cAMP-PKA-MPF)是调节减数分裂恢复的关键信号通路，作者通过过表达编码PKA的调节亚基的Prkar2bmRNA以及利用siRNA敲除编码PKA分解亚基的PrkaCa来挽救减数分裂停滞表型，结果显示，这两种操作都部分挽救了减数分裂缺陷。此外，卵母细胞中的ATAC-seq分析显示，Snf2h通过增加其启动子染色质的可及性调节了一些关键减数分裂基因的转录。这一结果给染色质重塑因子调控卵子发生的通路提供了新的见解。三.CHD

11、家族与配子发生及早期胚胎发育1.CHD家族的时空表达:CHD家族全称为染色质解旋酶DNA结合家族，包括CHD19九个成员。小鼠及牛的研究显示，早期胚胎发育的各个阶段均存在CHDl的表达，整体呈现为先增高后降低的动态变化趋势12-13oCHD3和CHD5则在猪胚胎各个阶段均有表达，且无论是体外受精还是孤雌生殖产生的胚胎,CHD3在4-细胞期和囊胚期表达较高；CHD5在8-细胞期和囊胚期含量较低14o由此我们推测，CHD3和CHD5可能在4-细胞、8-细胞和囊胚期参与调控关键性事件而影响胚胎发育，并在囊胚期可能存在不同的作用，具体发挥的作用及机制需要进行更深层次的研究。精子发生过程中CHD3/4在

12、生殖细胞和支持细胞中均有表达，而CHD5仅在生殖细胞中被检测到，CHD3/4仅存在于精原细胞和精母细胞中，而CHD5则在圆形精子细胞发育过程中表达15。另外，有研究学者对小鼠卵母细胞和早期胚胎进行了RNA-Seq分析，结果表明CHD9的表达水平在生长中的卵母细胞、GV期卵母细胞及成熟卵中逐步降低，在着床前发育过程中进一步降低16o卵母细胞及胚胎的发育离不开大量蛋白质等物质的消耗，CHD9含量的逐步降低也许表明其参与了物质代谢等相关过程，具体机制还需进一步探索。2. CHD家族参与配子发生进程：2022年，deCastro等17观察到小鼠睾丸CHD4的缺失使得未分化精原细胞发育发生停滞,原因是C

13、HD4调控了精原细胞维护基因dmrtl和plzf的表达，以此揭示了CHD4在精子发生过程中发挥的重要作用。之前有研究提示CHD5的缺失会导致小鼠雄性不育，主要表现为精子缺乏、精子数目减少等18,根据上述提及的CHD5仅在圆形细胞中表达可以推测，CHD5的缺失可能使得精子变形失败而造成数目降低进而导致不育。2020年一项大型中国无精子症和严重少精子症人群的全外显子组测序研究将CHD5定义为五大强候选基因之一19。2021年有课题组也通过全外显子测序，发现了非梗阻性无精子症(non-obstructiveazoospermia,NOA)患者中CHD5的表达显著下调20o随着基因检测技术的发展，Li

14、等21和刘贵中等22的研究结果均提示CHD7基因错义突变可能与男性不育有关。2022年,Cheng等23使用Cre-IoxP方法生成了一个卵母细胞特异性CHD7缺失小鼠，该小鼠卵巢体积减小，卵泡数量减少，并且在卵巢发育过程中导致颗粒细胞的凋亡，影响正常卵母细胞的形成。利用CRISPRCas9敲除小鼠CHD9,发现其参与了卵母细胞生长过程中染色质结构松动的调节24,这一结果，从染色质结构的层面对阐明CHD9对卵母细胞的发育等影响提供了新的见解。3. CHD家族参与早期胚胎发育进程：小鼠I-细胞期敲低CHDl研究结果显示，胚胎移植后的产仔数显著减少，主要是由于在小鼠着床前发育过程中Hmgpi和Kl

15、f5的表达从ZGA开始被显著抑制,进而导致Pou5flNarlog和Cdx2的表达受到抑制，CHDl功能的完全缺失会导致着床后胚胎死亡12。总的来说，CHDI通过激活ZGA中HmgPi的表达，在小鼠植入前和植入后胚胎的发育中都具有重要作用。随着CHDl的敲低，牛胚胎发育到816细胞及囊胚的百分比显著下降，具体原因可能是CHDl通过控制受精后关键组蛋白变体H3.3沉积到染色质中来调节早期胚胎发育13,具体机制尚不清晰，在染色质层面仍需加深对相关基因表达调控的研究。有文献显示CHD7在胚胎干细胞中与POU5F1(OCT4)、SOX2和NANoG共定位，并对在胚胎干细胞(embryonicstemc

16、ell,ESCs)中选择性表达的许多基因具有负调节作用25,可以设想其在囊胚形成及谱系分化等关键事件中可能也通过与多能性相关因子的互作起到调控作用。成员众多的CHD家族，在配子发生、早期胚胎发育中都发挥不同程度的作用，但具体的调控机制尚不完全清晰，是未来需要进一步研究的方向。四.1No80/SWR1与配子发生及早期胚胎发育INO80复合体是一种高度保守的染色质重塑体，主要在ATP依赖性核小体滑动中发挥作用。2016年的一项研究证明，与SWI/SNF复合物一样，INO80染色质重塑复合物也参与了减数分裂的过程，该研究表明小鼠心、肝、肺、肾、肌肉、大脑、睾丸中均有INO80的表达，其中睾丸中的表达

17、量最高，并且在减数分裂的早期阶段的精母细胞中也有表达26o作者首次进行了INO80特异性敲除,INO80的缺失导致减数分裂过程阻滞,与减数分裂重组过程中DNA损伤的修复失败相关26o2022年，Chakraborty等27报道INO80可通过招募SUZI2在基因启动子发生K3K27me3来维持二价性，从而调节精母细胞减数分裂的转录程序。此外，在INO80敲除的精母细胞中由于缺乏SUZI2,许多基因的表达被抑制，从而使得与体细胞发育相关的通路发生上调。因此，作者提出了INO80介导的精母细胞减数分裂转录调控新机制，即除了促进减数分裂基因的转录，也可抑制体细胞基因的转录。这给以往单一层面的调控机制

18、研究提供一种新的启示。除了对精子减数分裂过程有影响,INO80在早期胚胎发育过程中也起到重要的作用。2021年Cao等28发表了一篇INo80介导猪早期胚胎发育的文章。该研究表明INO80存在于早期胚胎发育的各个阶段，且在I-细胞、2-细胞和8-细胞阶段的表达水平明显高于其他阶段，这与2014年Zeng等29在小鼠2-细胞和8-细胞胚胎中的研究结果类似。INO80的缺失会严重阻断猪囊胚的形成，单胚胎RNA测序结果显示INO80调控多个与谱系分化、紧密连接、黏附形成、细胞极性等相关的基因的表达，对囊胚发育至关重要。另外，INo80也参与了复发性流产的发病机制。研究表明，INo80敲除的小鼠植入后

19、胚胎无法存活；并且与正常样本相比,复发性流产患者样本中INO80的表达水平显著降低；研究学者基于RNA序列和ChIP序列分析，发现INO80在侵袭相关基因的启动子区域富集推测其可能可通过调控侵袭相关基因网络来调节滋养层的侵袭能力30。总之，从配子发生到早期胚胎发育以及胚胎植入，INO8。都或多或少地参与其中并发挥作用，这为生殖相关事件的研究提供了新方向。五.结语与展望综上所述，复杂多样的染色质重塑因子目前已被发现在不同的层面调控配子发生及早期胚胎发育进程。染色质重塑在为真核生物基因转录提供一条途径的同时，也为基因表达调控增加了一种新的机制。对染色质重塑因子调控基因表达机制的深入研究，有利于进一步研究在配子发生、胚胎发育等方面的相关性，为解决人类生殖疾病，提高体外受精成功率提供新的治疗途径及靶点提供基础研究依据。