高绍荣团队全面描绘DUX在小鼠胚胎基因组激活中的作用
哺乳动物高度分化的精子与卵子结合形成受精卵，受精卵随后经过多次卵裂和细胞分化最终发育成具有成千上万种细胞类型的新个体。处于胚胎发育很早期的细胞具有同时发育为胚胎和胚外组织的能力，因此被定义为全能性细胞。
在体内，成熟的卵母细胞在MII时期停滞并且是转录沉默的，在受精以后受精卵重新进入有丝分裂开启胚胎发育过程。从依赖母源因子的早期受精卵基因转录调控到合子基因组合成新转录产物的过程称为合子基因组激活（zygotic genome activation, ZGA）。ZGA是受精卵获得全能性的必要条件之一，但是由于哺乳动物早期胚胎数量少的限制，ZGA过程的关键因子及具体调控机制的相关研究难以展开。
在体外，由小鼠囊胚内细胞团建立的胚胎干细胞（Embryonic stem cells, ESCs）表现出异质性，总有少量的ES细胞转录组状态与2-细胞胚胎相似，如表达胚胎2-细胞时期特异基因Zscan4和逆转座子MERVL等，这些细胞被称为2CLC细胞（2-cell embryo-like cells）。2CLC 细胞与2-细胞胚胎相比数量多且更容易获取，因此成为用于研究胚胎ZGA过程的体外实验模型。
2017 年，通过在2CLC细胞中的研究，三个课题组分别报导了Dux/DUX4转录蛋白可能是激活小鼠ZGA和人EGA的关键因子【1-3】。这三篇研究论文主要发现在肌肉细胞或ES细胞中过表达Dux/DUX4会激活一部分ZGA基因。过表达Dux/DUX4不但能够把2CLC 细胞在胚胎干细胞中的比例从1%提高到50-70%，而且Dux/DUX4缺失的ES细胞会失去转变成2CLC细胞的能力。这一系列的体外实验研究证明Dux/DUX4是在2CLC细胞中激活ZGA基因的必要因子，但是Dux在体内胚胎发育中的作用还不清楚。
2019年5月哈佛医学院的张毅教授课题组【4】通过CRIPSR-Cas9技术在小鼠胚胎中成功敲除了约160kb包括所有Dux拷贝串联重复序列的基因组片段。他们发现在体内胚胎发育过程中，Dux并非是小鼠胚胎2-细胞时期激活ZGA的必要转录因子（详见此前BioArt的报道：专家点评Nature Genetics | 张毅团队证明体内DUX并非小鼠胚胎基因组激活的关键因子）。虽然Dux纯合敲除小鼠可以出生和繁殖后代，但是无论杂合还是纯合自交，所得到的纯合小鼠数量都低于预期。他们的转录组数据表明，在1-细胞时期Dux敲除胚胎和对照之间几乎没有差别；而在2-细胞晚期，与对照相比，Dux敲除胚胎有少量的基因和重复序列表达水平下调，但绝大部分之前报导的外源Dux在2CLC细胞中的目标基因在Dux敲除的晚期2-细胞胚胎中都表达正常。这一系列结果说明，Dux在小鼠胚胎基因组激活中并不起关键作用，并且它在小鼠胚胎发育过程中也不是必要的。
但是这篇文章没有对Dux纯合小鼠数量减少做出解释，并且只关注了晚期2-细胞胚胎ZGA基因表达情况忽视了Dux在早期2-细胞胚胎瞬时表达的现象，因此没能对Dux在早期胚胎中的重要作用做出最精确的定位。
2019年10月7日，来自同济大学的高绍荣教授研究团队在Cell Research杂志上在线发表了题为“Precise temporal regulation of Dux is important for embryo development“的文章对Dux在早期胚胎中的作用做了全面描绘【5】。
该团队通过设计直接靶向所有Dux重复序列区域的sgRNA得到的Dux敲除小鼠与张毅实验室及Didier Trono课题组的Dux敲除小鼠表型一致。由于Dux在早期2-细胞胚胎瞬时表达及Dux敲除胚胎的发育走向不同，该团队通过严格的单细胞RNA测序技术发现，与正常胚胎相比，Dux敲除胚胎在2-细胞的早中晚三个时期都表现出MERVL和一定数量ZGA基因的表达量下降。但是这些在Dux敲除2-细胞胚胎早期和中期下降的ZGA基因在2-细胞晚期都达到了与正常胚胎相当的表达量；Dux敲除晚期2-细胞胚胎中的部分ZGA基因与正常胚胎相比表达量较低，但是与2-细胞胚胎早期相比表达量是上升的，这一现象与张毅课题组的结果是一致的。这些结果说明，在Dux缺失的胚胎中，一些ZGA基因的激活是延迟的，Dux在早期胚胎发育中起到增强ZGA的作用而不是根据之前体外研究结果推测的起始ZGA的作用。由于其他因子的存在，ZGA在Dux敲除2-细胞胚胎晚期仍然是正常发生的，因此Dux敲除胚胎要么正常发育出生要么死亡而表现出的产仔数减少的表型可能决定于其他因子的表达剂量阈值效应。
该团队还在正常胚胎的2-细胞晚期及4-细胞时期注射mRNA来延长Dux在体内的表达，他们发现Dux确实可以在胚胎中增强ZGA基因及MERVL的表达，这与体外在ES细胞中过表达Dux是一致的，但是延长Dux表达的卵裂球在分裂一次后停滞发育并最终死亡。他们还发现外源注射的Dux在胚胎中会被迅速降解，这与内源Dux瞬时表达的现象一致。如果在胚胎1-细胞时期注射，Dux会被更加快速的降解从而不影响胚胎的发育，这更近一步的说明了Dux及时降解这一事件在早期胚胎发育过程中的重要性。但是无论内源还是外源的Dux mRNA及蛋白在胚胎中是如何被快速降解的还不清楚。
综上，本文通过体内的敲除和过表达实验证明Dux在2-细胞胚胎早期起到增强而不是起始ZGA的作用，当Dux缺失时，替代因子的剂量效应可能导致了Dux敲除胚胎的发育不同走向，而Dux在短暂的发挥作用之后，必须及时被降解，Dux的延长表达会损害胚胎的正常发育，Dux mRNA及蛋白的快速降解途径及机制尚不清楚。
同济大学高绍荣教授，王译萱教授及杨鹏教授为本文共同通讯作者。直博生郭明岳和助理研究员张艳平为本文共同第一作者。
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41422-019-0238-4
参考文献
1.De Iaco A, et al. DUX-family transcription factors regulate zygotic genome activation in placental mammals. Nat Genet 49: 941-5 (2017).
2.Hendrickson P G, et al. Conserved roles of mouse DUX and human DUX4 in activating cleavage-stage genes and MERVL/HERVL retrotransposons. Nat Genet 49: 925-34 (2017).
3.Whiddon J L, Langford A T, Wong C J, Zhong J W, Tapscott S J. Conservation and innovation in the DUX4-family gene network. Nat Genet 49: 935-40 (2017).
4.Chen Z, Zhang Y. Loss of DUX causes minor defects in zygotic genome activation and is compatible with mouse development. Nat Genet (2019).
5.Guo M, et al. Precise temporal regulation of Dux is important for embryo development. Cell Research (2019).
