eLife丨先鋒轉錄因子ZLD啟用受精卵基因組的作用機制
在合子基因組啟用
（
ZGA
）
過程中，合子的細胞核發生了劇烈的重程式設計，以啟動整體轉錄併為胚胎進一步發育做好準備。在ZGA過程中，啟用合子基因組的染色質變化依賴於轉錄因子
（
TFs
）
之間的合作。然而，只有先鋒轉錄因子可以在ZGA之前與封閉染色質結合，因為大多數TF不能與核小體DNA結合。
在果蠅中，先驅轉錄因子
ZLD
在ZGA期間發揮著關鍵作用。ZLD表現出先鋒TF的幾個關鍵特徵，包括
(1)
與核小體DNA的結合；
(2)
調節早期合子基因的轉錄；
(3)
調節染色質易接近性以增加其他非先鋒TF與DNA結合的能力。然而，大部分ZLD結合位點（60%）高度聚集在富含GA的基序，並且即使在沒有ZLD的情況下也具有組成性開放染色質。因此，作者認為必定存在其他直接與富含GA基序結合的先驅TF與ZLD一起啟用合子基因組，該成果發表在
《
eLife
》
上。
敲低母體CLAMP破壞胚胎中調節合子模式和細胞骨架組織的基因表達
前人的研究表明，CLAMP對果蠅胚胎髮育至關重要。作者透過smFISH觀察發現，當母系來源的CLAMP被敲低後，經典的對控基因的表達模式被完全破壞
（圖1A，中間
）。此外，與對照egfpRNAi胚胎相比，胚胎合胞體中的細胞核發生分離
（圖1A，左）
。作者在敲低
zld
的母體的胚胎中觀察到類似但稍強的表型變化
（圖1A，右）
，表明CLAMP和ZLD在前細胞胚盤胚胎中建立胚胎模式方面具有關鍵作用。
圖1。新型先鋒因子CLAMP對於早期胚胎髮育至關重要
體內和體外實驗證明CLAMP能與核小體DNA結合並調控合子基因組的啟用
先鋒TF的內在特徵之一是它們能夠結合核小體DNA和壓縮狀態的染色質。為了檢驗CLAMP是否是先驅TF，作者用EMSA實驗測試了CLAMP在體外直接與核小體相互作用的內在能力。實驗結果證明，鋅指蛋白CLAMP可以直接與核小體DNA結合，並能同時結合多個結合位點
（圖1。C-D）
。為了瞭解CLAMP如何調節早期胚胎模式，作者使用RNA-seq資料檢測了敲低母體CLAMP後，胚胎中來自母體的轉錄本或合子胚胎啟動基因表達產生的轉錄本水平的變化（在0-2小時間，胚胎中的轉錄本主要來源於母體，而在2小時以後，胚胎啟動自身基因表達）。作者發現，在缺乏CLAMP的胚胎中，合子基因轉錄水平顯著下調，而來自於母體的RNA水平不受影響
（圖1E）
。這表明，CLAMP對合子基因的轉錄具有特定影響，類似於先前報道的
ZLD
的作用。
CLAMP調節早期胚胎染色質的易接近性
那CLAMP作為先驅TF是如何結合到壓縮狀態的染色質的呢？先鋒TF的一個基本特徵是它們可以建立和維持其DNA目標位點的可接近性，允許其他TF與DNA結合並激活轉錄。作者鑑定了在缺乏CLAMP的情況下染色質可及性顯著降低的基因組區域子集
（圖2A）
，實驗結果表明這些區域的染色質可及性需要CLAMP。ChIP-seq和ATAC-seq結果表明，主要在啟動子處需要CLAMP來建立或維持染色質開放，但也可能在內含子區域發揮其他作用。此外，基序分析表明，在0-2小時胚胎中，在富含GA的基序和ZLD基序都需要CLAMP維持DNA的可及性
（圖2D）
。
作者接下來透過檢測染色質可及性（DA，ATACseq）變化與RNA-seq測量的最近基因的基因表達之間的關係，來確定CLAMP介導的染色質可及性是否可以特異性地驅動早期基因轉錄。實驗結果表明，CLAMP促進了ZGA期間其他關鍵TF基因子集的染色質可及性和轉錄，這與敲低母體CLAMP所引起的廣泛發育缺陷一致。
圖2.CLAMP調節早期合子基因組子集的染色質可及性
CLAMP和ZLD調節彼此與啟動子子集的結合
為了直接確定CLAMP和ZLD如何影響彼此的結合，作者在兩個時間點：ZGA之前（0-2小時）和ZGA期間和之後（2-4小時），對RNAi敲低CLAMP和ZLD的胚胎及對照組進行了ChIP-seq
（圖3A-B）
。實驗結果表明，表明CLAMP和ZLD能夠透過與其DNA基序結合來相互調節，特定CLAMP和ZLD基序的存在與它們促進彼此結合的能力相關。
鑑於CLAMP和ZLD與染色質結合之間的合作關係，作者測量了在ChIP-seq資料中定義的依賴和獨立位點的染色質可及性（ATAC-seq覆蓋率）的變化。ATAC-seq結果表明，ZLD和CLAMP結合的缺失可能導致感知的可接近性增加，但這不一定反映ZLD的抑制功能。
圖 3。 CLAMP 和 ZLD 相互依賴以在一個子集位點上結合
CLAMP和ZLD共同作用並調節染色質可及性以調節ZGA期間基因轉錄
為了進一步瞭解CLAMP和ZLD如何發揮調節ZGA的功能，作者比較了CLAMP和ZLD在早期胚胎基因轉錄中作用。作者發現CLAMP和ZLD都存在於整個ZGA表達的基因中
（圖4A-B）
。為了研究CLAMP和ZLD是否可以調節彼此的結合以精確地驅動目標基因的轉錄，作者繪製了敲低母體
zld
或
clamp
引起的基因表達變化
（圖4E和圖4F）
。實驗結果表明，CLAMP透過直接與靶基因結合來調節合子基因的轉錄，CLAMP可能透過促進ZLD結合來調節ZLD靶向基因的轉錄。
圖 4。 CLAMP 和 ZLD 在合子基因組啟用中共同發揮作用
為了揭示CLAMP和ZLD之間的直接結合與合子染色質可及性的相關性，作者整合了ChIP-seq和ATAC-seq資料。實驗結果揭示了CLAMP和ZLD調節染色質的可及性，這改變了兩個因子的在DNA上的結合並調節合子轉錄。此外，單獨敲低CLAMP或ZLD可能不改變GAF和/或其他TF在某些位點的作用，這表明多個TF在ZGA期間促進染色質可及性。也有可能CLAMP和ZLD在它們調節彼此佔據的基因組位點子集上是功能冗餘的，但單獨敲低任一因子不足以改變染色質和基因表達。
總結
所有後生動物早期胚胎的兩個核心問題是，早期TF如何以及在何處協同工作以驅動染色質變化和ZGA。在這裡，作者將CLAMP的新功能定義為新的先驅TF，它在早期胚胎髮育中具有靶向但必不可少的功能。作者發現CLAMP直接與核小體DNA結合，在通常編碼其他TF的基因的啟動子處建立和/或維持染色質可及性，並促進ZLD與啟動子的結合以調節啟用合子基因轉錄。作者發現CLAMP和ZLD透過介導染色質可及性來調節彼此的結合，進一步調節它們的靶基因表達。總的來說，作者提供了關於CLAMP和ZLD如何共同作用以提高彼此在DNA上的結合和增加染色質可及性的新見解，這推動了對ZGA的研究。
原文連結：
https://elifesciences.org/articles/69937
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