重磅！Science发布人类早期胚胎翻译调控新机制

近年来，随着生活习惯和所处环境的变化，不孕症的发病率在逐渐增加。据研究显示，全世界约有8%-12%的育龄夫妇面临不孕症的困扰。在西方国家，育龄妇女中不孕症的发病率为每七对夫妇中有一对，在发展中国家为每四对中有一对，有些国家的不孕症发生率甚至可能达到30%。理解卵母细胞的成熟过程和早期胚胎的发育是解决不孕不育难题的关键。

研究人员发现在卵母细胞向胚胎的转变（Oocyte-to-embryo transition，OET) 以及合子基因组的激活（Zygotic genome activation，ZGA）过程中，转录调控起到了关键的作用。早期研究表明，非洲爪蟾卵母细胞的翻译调控是通过CPEB1蛋白结合3’末端的非翻译区（3’UTRs）实现，CPEB1可以抑制卵母细胞的多聚腺苷酸化，同时在减数分裂恢复期又能促进卵母细胞的多聚腺苷酸化。在小鼠中，CPEB1通过类似的方式调节卵母细胞的发育，但是对于人类的卵母细胞转变过程中调控方式的研究还相当匮乏。另外，合子基因组激活（ZGA）作为新生命开始的第一次转录事件，其在哺乳动物中是如果进行调控的，还没有详细的报道。

2022年9月8日，山东大学生殖医学研究中心陈子江院士、赵涵教授团队联手清华大学颉伟教授团队在Science发表题为“Translatome and transcriptome co-profiling reveals a role of TPRXs in human zygotic genome activation”的研究成果（图1）[1]。研究通过开发一种高度敏感的核糖体图谱检测方式（Ribo-lite），结合转录组测序（RNA-seq），揭示了人类卵母细胞向胚胎转变过程中的翻译调控方式，并识别了合子激活过程中的可能调控因子（图2）。

图1 研究结果（图源：Science）

图2 人类卵子向早期胚胎转变过程中的翻译图谱（图源：[1]）

在此项研究中，研究人员把Ribo-lite和Smart-seq2的检测合并起来一起处理溶解的样本，称为Ribo-RNA-lite或R2-lite，以同时得到翻译组和转录组信息；利用R2-lite方法对人类卵母细胞和早期胚胎进行检测，并将人胚胎干细胞（hESCs）作为对照组，来研究人胚胎发育过程不同阶段的翻译组和转录组的变化情况。结果发现：

01 人卵母细胞及早期胚胎发育过程中的动态翻译调控

人卵母细胞从成熟期（FGO）发展到四细胞期（4C），转录组没有明显变化，而到了八细胞期（8C）则有较大转变。相对的，翻译组的变化则更加具有动态性，从成熟卵母细胞到减数分裂中期Ⅰ，从中期Ⅰ到中期Ⅱ，以及四细胞期到八细胞期的转变（图3b）。

图3 人卵母细胞及小鼠早期胚胎发育过程中翻译组和转录组的全基因组定位（图源：[1]）

02 在人与小鼠的OET过程中翻译图谱的一致性

为了比较人类和小鼠在卵母细胞向胚胎转变的过程中翻译组和转录组的一致性，研究人员对同源基因进行的研究。根据不同阶段的翻译变化趋势把人类和小鼠的同源基因分成了4大类别，并且发现人和小鼠在4大类别中共有的基因占到了50.5%（图3d），说明了这些在卵母细胞成熟过程中过程起重要作用的基因具有进化的保守性。另外，在人和小鼠卵母细胞向胚胎转变过程中上调的和下调的转录本，分别呈现出更长和更短的3’UTRs序列，进一步证明了翻译调控的保守性。

03 小鼠卵母细胞MⅡ期存在大量母源RNA的去稳定化

在小鼠中，卵母细胞从FGO向MⅡ转变的过程中，翻译水平下调的基因往往伴随着mRNAs的减少，而在人类样本中，这种现象不存在（图3f）。研究认为，在卵母细胞MⅡ期，人类的mRNA相比小鼠具有更长的poly(A)尾，所以造成小鼠中mRNA减少的原因很可能是mRNA的去腺苷化。

04 细胞质多腺苷酸化元件（CPE）介导的调控密码揭示了人和小鼠OET过程中的翻译调控的驱动基因

在人和小鼠同源的基因中，49.5%表现出物种特有的翻译水平的动态变化（图4A）。为了验证CPEs是否可以解释这些物种的特异性变化，作者识别了366个属于人OET上调，但是在小鼠中下调的基因，发现这些基因具有更高的CPE密度，并且在人里面有更多的papCPEs。相反的，在人OET中下调，而在小鼠中上调的基因则表现出更低的CPE密度，并且在人里面有更少的papCPEs。

图4 人类和小鼠卵母细胞及早期胚胎之间的翻译组差异（图源：[1]）

05 合子基因组激活前（Pre-ZGA）翻译对于人类合子基因组的激活是非常重要的

为了探究翻译活性是怎么调节胚胎发育和合子基因组激活的，研究利用环己酰亚胺（CHX）抑制了人类不同阶段胚胎的翻译水平，并培养到第5天后，进行RNA-seq测序。结果显示，相比于四细胞期，一细胞期经过处理的胚胎具有更加严重的ZGA和母源RNA的消失。说明，早期的ZGA翻译对于人类合子的基因组激活时非常重要的。

06 PRD相似（PRD-like）的同源转录因子在ZGA阶段具有较高的翻译水平 

为了识别特殊的ZGA调控子，研究寻找了在ZGA期间具有较高翻译水平的转录因子（TFs）。在四细胞期，前三名转录因子是OTX2、LEUTX、和TPRXL，同属于PRD-like的转录因子家族（图5d）。在八细胞期，两个额外的PRD-like家族转录因子，TPRX1和TPRX2，翻译水平较高。总共至少有10个PRD-like的转录因组在ZGA时期被高度翻译。

图5 ZGA翻译是人类盒子基因组激活的必要条件（图源：[1]）

07 TPRX因子调控人类胚胎植入前的发育

为了研究这些PRD-like的转录因组在人类ZGA和早期发育过程中的作用，研究人员敲低了这些人类胚胎中这些因子的表达水平后发现，在TPRX1，TPRX2，TPRX1/2，TPRXL敲低（KD）的胚胎中，八细胞时期的胚胎发育发生迟缓。说明这些因子能够共同调节人类早期胚胎的发育。 

08 TPRX因子对于人类合子基因组激活是必须的 

在TPRX三敲除（TKD）实验中，作者发现三敲除的胚胎比单个转录因子敲除的胚胎发育更加迟缓。进一步研究发现，在TPRX三敲除的胚胎中，ZGA相关的基因有非常明显的表达下调。 

09 TPRXs的异位表达（ectopic expression）可以激活人类ZGA标志基因的表达 

在TPRX过表达的hESCs样本中，受到TPRX1和TPRX2影响而激活的基因具有大量的重叠，说明它们可能具有相似的功能。同时，在这些激活的基因中，有参与ZGA的重要基因，如DUXB，HESX1，KLF5，RBP7，ZSCAN4等等。而这些基因在TPRX三敲除的样本中，有一半都下调表达，说明TPRXs可以激活部分ZGA基因的表达。

此项研究通过把核糖体测序和转录组测序结合的方式，能够同时检测样本的翻译和转录组水平的变化。在比较了人类和小鼠卵母细胞和胚胎发育过程不同时期翻译水平和转录水平的差别后，证实了3‘UTR区域对于物种特异的翻译调控以及稳定性方面的重要性，并认为TPRX家族转录因子在合子基因组激活过程中扮演者重要的角色。为研究人类早期胚胎发育过程，探究生殖疾病，提高辅助生殖健康水平奠定了重要的基础。但是，本研究虽然提供了TPRX家族转录因子在胚胎发育和合子基因组激活过程中参与重要的身份的一些证据，但对于这些转录因子是如何调节这些过程，以及这些因子之间是否存在相互配合的关系，并未进行更加深入的研究。

参考资料：

[1]Zou Z, Zhang C, Wang Q, et al. Translatome and transcriptome co-profiling reveals a role of TPRXs in human zygotic genome activation. Science. 2022 Sep 8:eabo7923. doi: 10.1126/science.abo7923. Epub ahead of print. PMID: 36074823.