趙向遠(yuǎn)，許保增*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林長春 130112；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特種經(jīng)濟(jì)動物分子生物學(xué)重點(diǎn)實驗室，吉林長春 130112）

胚胎發(fā)生始于精子和卵子的融合。19 世紀(jì)，Theodor Boveri 等[1]利用海膽胚胎研究細(xì)胞成分與遺傳之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同種類配子間的交叉受精產(chǎn)生了具有雙親中間特性的幼蟲，表明遺傳決定因素編碼在精子貢獻(xiàn)的核物質(zhì)中。然而，在人工生產(chǎn)的無核卵子的雜交中也觀察到一系列雜交特征[2]，這意味著母體也給予了一定程度的遺傳貢獻(xiàn)。

最初，胚胎在轉(zhuǎn)錄上是靜止的，發(fā)育完全由母體提供的蛋白質(zhì)和核糖核酸來決定。隨后，在母子-合子轉(zhuǎn)換期（Maternal-To-Zygotic Transition，MZT），發(fā)育調(diào)控由激活的合子基因組進(jìn)行，MZT 主要包含2 種分子活動，它們共同“重新編程”最終分化的卵母細(xì)胞和精子，使之成為全能的胚胎。一種是母體產(chǎn)物的降解，即母體指令的缺失，這些指令是卵母細(xì)胞成熟、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和胚胎發(fā)生第一階段所必需的，但隨著胚胎的發(fā)育而變得不必要或是有害；另一種是通過基因表達(dá)激活新的合子指令，這一過程被稱為合子基因組激活（Zygotic Genome Activation，ZGA）。這兩種活動極大地重塑了胚胎的基因表達(dá)模式和細(xì)胞特性[2]。本文綜述了ZGA 的動力學(xué)和時序模型及ZGA 的調(diào)控機(jī)制，包括在多個模型物種中對細(xì)胞周期長度、轉(zhuǎn)錄抑制因子和激活因子的作用和染色質(zhì)組的研究情況，以及翻譯后水平的調(diào)控變化，更全面地了解ZGA 在MZT 過程中發(fā)揮的作用，以確保胚胎發(fā)育的穩(wěn)定進(jìn)行。

1 合子基因組激活的模型和時序性

1.1 合子激活的模型假說 在傳統(tǒng)上，2 種截然不同的激活模式一直是ZGA 研究的重點(diǎn)。一方面，“核質(zhì)（N/C）比”模型認(rèn)為，細(xì)胞周期的早期分裂可以通過改變N/C 比來調(diào)節(jié)合子基因組的激活，即整個胚胎的細(xì)胞質(zhì)體積相對恒定，但通過進(jìn)行性細(xì)胞分裂，細(xì)胞核數(shù)量以及整體細(xì)胞核的體積都在增加，會增加N/C 比，降低母體中抑制因子的比率，從而導(dǎo)致每個細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)從被轉(zhuǎn)錄的狀態(tài)中釋放出來[3]。在這個公式中，ZGA發(fā)生的障礙是母體的因素，在轉(zhuǎn)錄發(fā)生之前母體的相應(yīng)轉(zhuǎn)錄水平必須降低。例如，在非洲爪蟾和斑馬魚中都觀察到細(xì)胞周期的變化與N/C 比有關(guān)，但有證據(jù)表明，N/C 比通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期速率會間接影響轉(zhuǎn)錄激活[4]。Edgar 等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞化之前，黑腹果蠅的有絲分裂周期長度會根據(jù)N/C 降低比而變慢，但該機(jī)制不能解釋所有ZGA 的發(fā)生。

另一方面，與上述觀點(diǎn)相對的是獨(dú)立于細(xì)胞分裂數(shù)量的“母系時鐘”模型，它可能決定基因表達(dá)的時間。該模型的分子實例化可被看作是母體因子數(shù)量或活性的增加，其必須達(dá)到一個臨界水平，啟動一個生化級聯(lián)反應(yīng)才能觸發(fā)轉(zhuǎn)錄激活。胚胎受許多母體mRNA 因素的影響，這些因子通常通過抑制性RNA 結(jié)合蛋白處于休眠狀態(tài)，即使在這種抑制被釋放后，這些轉(zhuǎn)錄物被多聚腺苷酸化、翻譯并運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核也需要時間。因此，激活轉(zhuǎn)錄或減輕抑制所需的任何必需因子的積累都可能有觸發(fā)ZGA。到目前為止，在斑馬魚和果蠅體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)部分與基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄相關(guān)的母體清除因子和轉(zhuǎn)錄激活因子，如Smaug[6]。這2 個模型并非相互不容，也不相互獨(dú)立。在黑腹果蠅的研究中表明，這2 種調(diào)節(jié)模式對于數(shù)量大致相等的基因的激活同時存在[7-8]。然而，所有這些機(jī)制也依賴于可用的DNA 模板的相對數(shù)量，在每個細(xì)胞周期后，模板數(shù)量呈指數(shù)增長。達(dá)到DNA 的閾值數(shù)量，并允許有足夠的時間積累轉(zhuǎn)錄數(shù)，是實現(xiàn)可檢測水平的轉(zhuǎn)錄輸出的一個因素。ZGA 調(diào)節(jié)的機(jī)制實際上可能比使用現(xiàn)有技術(shù)測量的時間更早發(fā)生作用。

1.2 合子激活的時序性 在許多物種中，ZGA 不是一個單一的生物學(xué)事件，而是一個轉(zhuǎn)錄逐漸被激活的過程。植入前胚胎的ZGA 主要經(jīng)歷2 個階段，一種是在分裂過程中出現(xiàn)的小波；另一種是與細(xì)胞周期延長而同時出現(xiàn)的大波[9]。合子轉(zhuǎn)錄的間斷爆發(fā)構(gòu)成了ZGA 的一個小波和一個大波，在大波中發(fā)生的基因表達(dá)的重編程對于合子進(jìn)一步發(fā)育十分關(guān)鍵[9]。就胚胎有絲分裂的細(xì)胞周期而言，人、小鼠和海膽最早開始轉(zhuǎn)錄，在小鼠的第1 個細(xì)胞周期的G2 期，檢測到第1 個胚胎轉(zhuǎn)錄本，并在受精后約20 h 雌雄原核融合，開始第1 次胚胎分裂[2]。小鼠胚胎ZGA 的小波發(fā)生在單細(xì)胞期[10]，約有800 個基因被激活；而大波發(fā)生在雙細(xì)胞期，這次轉(zhuǎn)錄會激活約 3 500 個基因。與小鼠相比，其他哺乳動物的表達(dá)模式有輕微延遲的趨勢[11]，如牛的小ZGA 發(fā)生在2/4 細(xì)胞期，大ZGA 發(fā)生在8 細(xì)胞期。人類的合子基因組激活也分為小波和大波2 個波次：在2～4 細(xì)胞階段，激活約1 000 個基因，而在4～8 個細(xì)胞階段的大波過程中，激活約2 500 個基因，人類胚胎在1 個細(xì)胞階段也具有轉(zhuǎn)錄活性[2]。但在無脊椎動物中，如非洲爪蟾的基因組激活的小波發(fā)生在第6～9 個卵裂周期，而大波發(fā)生在受精后約6 h 的第12～13 個卵裂周期；斑馬魚的ZGA 開始于受精后的第6 個卵裂周期，并在第10 個卵裂周期（受精后約19 h）時觀察到大波出現(xiàn)；在果蠅中，ZGA 的小波發(fā)生于第6 個卵裂期，大波在第14 個卵裂周期（受精后約2.5 h）被檢測到[12-15]。對于大多數(shù)基因而言，ZGA 期間轉(zhuǎn)錄的開始是隨機(jī)的，這意味著并非所有細(xì)胞都同時開始激活該基因[16]，這會導(dǎo)致最初基因的表達(dá)水平在不同細(xì)胞之間存在巨大差異，從原則上講，這可能會阻礙發(fā)育。然而，通過發(fā)育過程中空間或（如在果蠅中）[17]或時間的合理分配（如在斑馬魚中）[16]可以達(dá)到基因表達(dá)的統(tǒng)一模式，從而克服這個問題。盡管在ZGA 過程中被激活的基因中有一些是嚴(yán)格的合子（即不是母系遺傳的），但也有許多基因是母系遺傳的，然后在胚胎中重新表達(dá)。在這些情況下，轉(zhuǎn)錄不僅加強(qiáng)了基因的表達(dá)，還改變了轉(zhuǎn)錄的特征及其調(diào)控。

2 合子基因組激活的分子機(jī)制

2.1 細(xì)胞周期的調(diào)控 在昆蟲、兩棲動物和魚類的早期胚胎發(fā)育階段具有快速卵裂的特點(diǎn)。因為DNA 復(fù)制通常會干擾轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞周期的增多可能會減少發(fā)育早期階段的基因轉(zhuǎn)錄。例如，在非洲爪蟾中，發(fā)現(xiàn)有4 個復(fù)制因子Cut5、RecQ4、Treslin 和Drf1 控制細(xì)胞周期，從而指導(dǎo)合子轉(zhuǎn)錄的開始，這些基因的過表達(dá)會導(dǎo)致復(fù)制起始和細(xì)胞周期數(shù)的增加，囊胚中期（Mid-Blastula Transition，MBT）細(xì)胞分裂不均勻，從而延遲了大量基因的轉(zhuǎn)錄。此外，在這一過程中還觀察到復(fù)制檢查點(diǎn)激酶Chk1 的早期激活[16,18]。Chk1 通過抑制細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶的活性來調(diào)節(jié)細(xì)胞進(jìn)入S 期和G2 期，Cdc25 同系物Twine 參與該過程，它可能以N/C 比率依賴性的方式進(jìn)行降解，穩(wěn)定Cdk1 磷酸化來防止有絲分裂的進(jìn)行從而允許合子轉(zhuǎn)錄發(fā)生[19]。其他研究顯示，ATM、ATR 以及下游的CHK1 或CHK2 通過下調(diào)CDC25，上調(diào)WEEL，最終使 CDK1/周期蛋白 B（Cyclin B）的活性受到抑制，導(dǎo)致細(xì)胞被阻斷在G2/M 期[20-21]。因此，這些機(jī)制可能共同作用于非洲爪蟾的細(xì)胞周期延長和相關(guān)的合子轉(zhuǎn)錄的增加。然而，在果蠅胚胎中，細(xì)胞周期的延長取決于合子轉(zhuǎn)錄的開始[22]，轉(zhuǎn)錄并非依賴于細(xì)胞周期的延長。因此，目前還不清楚在胚胎發(fā)生過程中細(xì)胞周期的延長對轉(zhuǎn)錄開始的影響程度。上述物種在MBT 后才進(jìn)行了合子的轉(zhuǎn)錄，與之不同的是，N/C 比并不適用于哺乳動物，小鼠在胚胎2-細(xì)胞時期就開始了合子轉(zhuǎn)錄[20]，但N/C 比對小鼠的胚胎發(fā)育和細(xì)胞致密化有很重要的影響[23]。

在許多物種中，早期胚胎發(fā)育的特點(diǎn)是一系列細(xì)胞周期的快速進(jìn)行，而這一細(xì)胞分裂的減慢與合子的激活階段密切相關(guān)。當(dāng)細(xì)胞核進(jìn)入有絲分裂時，轉(zhuǎn)錄在很大程度上被抑制，因此在發(fā)育早期表達(dá)的基因往往很短且缺乏內(nèi)含子。隨著分裂周期的減慢，基因組的轉(zhuǎn)錄數(shù)量逐漸增加，隨著細(xì)胞進(jìn)入第1 個G2 期，ZGA 的大波出現(xiàn)。綜上表明，早期轉(zhuǎn)錄的基因往往很短，而較長的基因表達(dá)則被延遲，直到細(xì)胞周期延長。因此，分裂周期的減慢可以決定基因組激活的速度[6]。

2.2 染色質(zhì)的變化 在植入前胚胎的ZGA 過程中受調(diào)控基因激活的爆發(fā)很可能伴隨著細(xì)胞核內(nèi)DNA 堆積方式的改變。DNA 在復(fù)制轉(zhuǎn)錄的過程中需要先將DNA 的緊密結(jié)構(gòu)打開，從而允許一些調(diào)控因子或轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。這部分打開的染色質(zhì)叫開放染色質(zhì)，打開的染色質(zhì)允許其他調(diào)控因子結(jié)合的特性稱為染色質(zhì)的開放性。例如，染色質(zhì)可以乙?；蚣谆?，從而改變其物理結(jié)構(gòu)，幫助潛在的基因被激活或抑制。開放性反映了染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄的活躍程度，以及結(jié)合其他DNA 修飾（如甲基化）的信息，特定條件下的染色質(zhì)開放性變化可以提供大量的基因表達(dá)調(diào)控信息，因此是轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)鍵[24]。

一般來說，在MZT 轉(zhuǎn)錄不活躍期間，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)相對開放。例如，人類和老鼠的基因組在受精后會發(fā)生DNA 去甲基化[25]，但這在其他物種中尚未觀察到。更普遍的是，早期胚胎染色質(zhì)結(jié)構(gòu)開放的特征是高度分散，異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域缺失，拓?fù)湎嚓P(guān)域（Topologically associating domains，TAD）缺失，高水平組蛋白乙?；透呷旧|(zhì)流動性[26-27]。在小鼠中，高度的染色質(zhì)開放性似乎是引發(fā)ZGA 的先決條件。在合子核融合之前，未凝聚的雄原核具有轉(zhuǎn)錄能力，并在S 期的中后期，較低水平的內(nèi)源性轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致了ZGA 小波的發(fā)生[28]。相反，雌原核在轉(zhuǎn)錄上保持沉默。這種轉(zhuǎn)錄上的不對稱可能是由于父本基因組重新包裝引起的短暫的染色質(zhì)開放狀態(tài)。精子DNA 與富含精氨酸的精蛋白結(jié)合，在S 期前與母體組蛋白進(jìn)行交換[29]。這些新結(jié)合的組蛋白受到轉(zhuǎn)錄模式的修飾，包括H4 高乙?；虷3K9 和H3K27單甲基化等[30]。

總體而言，ZGA 發(fā)生時，基因組的整體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，而局部染色質(zhì)開放性增強(qiáng)，這使得越來越多的轉(zhuǎn)錄因子成功地與DNA 結(jié)合[31]。雖然染色質(zhì)開放程度增強(qiáng)有利于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，但開放性又往往依賴于特定轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合。因此，抑制因子的缺失、激活因子的積累和染色質(zhì)開放性的局部變化共同啟動了基因組的激活[32]。

2.3 轉(zhuǎn)錄抑制因子和激活因子 為了啟動轉(zhuǎn)錄，Pol-II不能自行識別和結(jié)合目標(biāo)基因的啟動子，它必須依賴于識別啟動子和增強(qiáng)子內(nèi)DNA 元素的DNA 結(jié)合蛋白，此外，Pol II 的結(jié)合還依賴于特定的轉(zhuǎn)錄因子（TFs）。這些TFs 能夠識別并結(jié)合到增強(qiáng)子區(qū)域內(nèi)的特定DNA序列，使它們能夠選擇性地激活不同細(xì)胞中靶基因的表達(dá)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄[33]。在合子轉(zhuǎn)錄過程中，來自于母體的很多具有轉(zhuǎn)錄抑制能力的蛋白質(zhì)對MZT 過程中的轉(zhuǎn)錄起到了促進(jìn)作用。例如，在黑腹果蠅中，Tramtrack（TTK）是fushi-tarazu（ftz）基因表達(dá)的母體抑制劑[2]。隨著N/C 比增加，TTK 的核濃度開始降低，減少TTK的數(shù)量或TTK 的結(jié)合位點(diǎn)會導(dǎo)致ftz 轉(zhuǎn)錄提前，而增加TTK 數(shù)量則產(chǎn)生相反的效果。但有趣的是，Smaug 對TTK mRNA 的降解具有調(diào)節(jié)作用。Smaug 的缺失對合子基因的表達(dá)有廣泛影響，可能超過了TTK 對轉(zhuǎn)錄的影響，這表明Smaug 會對與ZGA 有關(guān)的許多其他未知的抑制因子有抑制作用[34-35]。因此提供了母體mRNA與ZGA 之間的聯(lián)系。

對小鼠而言，TIF1α是胚胎早期合子基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的最早因子之一，在早期合子基因轉(zhuǎn)錄開始時，TIF1α從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到原核。在原核中，TIF1α通過啟動Ser5Phos Pol II 5 號絲氨酸磷酸化和2 個染色質(zhì)重塑復(fù)合物的催化亞基共定位到離散的位點(diǎn)，即SWI/SNF 復(fù)合物的BRG1（SMARCA4）和ISWI 復(fù)合物的SNF2H（SMARCA5）。當(dāng)TIF1α被抑制時，靶基因被Pol II、BRG1 和SNF2H 錯誤調(diào)控，會導(dǎo)致胚胎30% 的合子基因水平降低和2 細(xì)胞階段的阻滯，其中一些基因也依賴于SNF2H 表達(dá)[28]。

與核心啟動子結(jié)合以激活基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄的TFIID 復(fù)合物的組成部分是轉(zhuǎn)錄激活的另一個調(diào)控方面。例如，在線蟲中，一般的TAF-4 轉(zhuǎn)錄因子在發(fā)育的早期階段是無法轉(zhuǎn)錄的，因為該蛋白被磷酸化的OMA-1 和OMA-2隔離在細(xì)胞質(zhì)中，阻止了TFIID 在第1 次分裂時裝配到細(xì)胞核DNA 上，直到在4 細(xì)胞階段OMA-1/2 自身被降解，TAF-4 才被釋放并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中開始轉(zhuǎn)錄[36]。同樣地，在非洲爪蟾中，另一個TFIID 亞基，TATA 結(jié)合蛋白（TATA-Binding Protein，TBP）是轉(zhuǎn)錄的限速因子。一般情況下，TBP 轉(zhuǎn)錄因子的濃度在ZGA 發(fā)生前是被抑制的。雖然TBP 的mRNA 由母體提供，但直到早期囊胚階段才能檢測到其蛋白水平。在小鼠中，TBP 缺失導(dǎo)致囊胚發(fā)育過程中轉(zhuǎn)錄激活失敗，盡管這種現(xiàn)象只在Pol I 和III 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄中發(fā)現(xiàn)[37]。

因此，一般轉(zhuǎn)錄因子在發(fā)育早期的缺失導(dǎo)致了轉(zhuǎn)錄活性受到抑制。在小鼠中，發(fā)育僅進(jìn)行到第2 個有絲分裂階段就會停滯（通常稱為2 細(xì)胞阻滯）。在這些生物體中，ZGA 早在這些缺陷出現(xiàn)之前就已經(jīng)發(fā)生，這表明合子轉(zhuǎn)錄不僅要使體內(nèi)轉(zhuǎn)錄的RNAs 保持平衡，而且對指導(dǎo)新的發(fā)育程序的進(jìn)行也至關(guān)重要。在此之后，基因特異性轉(zhuǎn)錄開始需要基因特異性轉(zhuǎn)錄因子。激活合子表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄因子已在多個物種中被發(fā)現(xiàn)，包括果蠅（Zelda）、斑馬魚（Pou5f3，Sox19b，Nanog）、人類（OCT4，DUX4）和小鼠（Dppa2，Dppa4，Nfy，Dux）[38]。這些基因的聯(lián)合缺失對轉(zhuǎn)錄和胚胎的后續(xù)發(fā)育都有很大影響。編碼這些因子的RNA 是母系遺傳的，它們的蛋白質(zhì)水平在細(xì)胞周期的早期有所增加[39]。在這種情況下，它們的合子轉(zhuǎn)錄開始于細(xì)胞核的2 個不同區(qū)域，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子濃度局部升高，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，這類基因特異性轉(zhuǎn)錄因子的水平影響了轉(zhuǎn)錄開始的時間。這表明在ZGA 過程中，特異性和一般性的抑制因子和轉(zhuǎn)錄因子都在從轉(zhuǎn)錄抑制到轉(zhuǎn)錄激活的平衡過程中發(fā)揮重要作用。

3 合子轉(zhuǎn)錄的翻譯后調(diào)控

3.1 組蛋白修飾 由于組蛋白能以高親和力與DNA 結(jié)合并在胚胎中大量存在，因此組蛋白一直被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄的抑制因子。組蛋白在經(jīng)過一系列的翻譯后修飾（Post-Translational Modifications，PTMs）可以直接影響染色質(zhì)的開放性，例如，乙?；淖兞私M蛋白的電荷，進(jìn)而改變了組蛋白與DNA 的接觸。在MZT 過程中，特定類型的組蛋白修飾與轉(zhuǎn)錄的抑制和激活狀態(tài)有關(guān)。在小鼠中，H4 乙酰化會將轉(zhuǎn)錄活躍的雄原核和沉默的雌原核區(qū)分開[40]。在ZGA 的小波發(fā)生后，組蛋白去乙?；福℉istone Deacetylase，HDAC）的活性會提供短暫的轉(zhuǎn)錄抑制，例如注射的質(zhì)粒以及通常在1 細(xì)胞階段表達(dá)的內(nèi)源性基因往往在2 細(xì)胞胚胎中不易轉(zhuǎn)錄。抑制HDACs 或DNA 合成可以緩解這種抑制現(xiàn)象，這表明在復(fù)制過程中的去乙酰化為ZGA 提供了轉(zhuǎn)錄特異性[40]。

基因啟動子區(qū)的H3K4me3 和H3K27ac 與激活基因表達(dá)相關(guān)，而H3K9me3 和H3K27me3 通常與抑制表達(dá)相關(guān)。在果蠅、斑馬魚和小鼠胚胎中，H3K27ac與ZGA 期間激活的基因有關(guān)[41]。H3K27ac 會在果蠅ZGA 發(fā)生之前的的TSS 基因位點(diǎn)處富集，在小鼠的2細(xì)胞胚胎階段也伴隨著H3K27ac 的增加[41]。這些發(fā)現(xiàn)表明H3K27ac 在ZGA 之前的積累和對相關(guān)啟動子的識別是必需的，并且先于轉(zhuǎn)錄激活。因此，在ZGA 前H3K27ac 的積累是不同生物體的共同特征[42]。

除了乙?；琀3 賴氨酸甲基化也會影響MZT 中基因激活的時間，盡管它們的影響在不同物種和環(huán)境中差異很大[43]。在小鼠中，無轉(zhuǎn)錄活性的雌原核與H3K27me3 相關(guān)，而轉(zhuǎn)錄活性強(qiáng)的雄原核僅在小ZGA末期出現(xiàn)H3K27me3[44-45]。然而，H3K4me3 的激活也優(yōu)先在雌原核中觀察到，盡管它的轉(zhuǎn)錄處于靜止?fàn)顟B(tài)，但隨著雄原核的加入與母體H3 組蛋白結(jié)合，這種不對稱性迅速減弱[46]。因此，H3K27me3 更容易影響早期小鼠基因轉(zhuǎn)錄活性。

上述結(jié)果表明，組蛋白修飾決定了MZT 期間基因表達(dá)的時間和空間特異性，這與受精卵基因染色質(zhì)構(gòu)象的局部變化有關(guān)。盡管有證據(jù)表明配子的表觀遺傳在這一過程中也發(fā)揮了一定作用，但這種特異性是如何建立起來的，在很大程度上仍然是未知數(shù)。

3.2 表觀遺傳模式 在卵子和精子中組蛋白修飾標(biāo)記的發(fā)育基因表明組蛋白的標(biāo)記對ZGA 的基因表達(dá)程序有預(yù)測作用。例如，在小鼠的卵母細(xì)胞中，激活Polycomb 復(fù)合物蛋白（PcG）的活性被證明是胚胎中組蛋白正確標(biāo)記和維持卵母細(xì)胞發(fā)育所必需的[46-47]。Polycomb 的抑制復(fù)合物1 和2（PRC1 和PRC2）共同作用并維持H3K27me3 并抑制轉(zhuǎn)錄。由缺乏PRC1 核心成分Ring1 和Rnf2 的卵母細(xì)胞來源的小鼠胚胎在2 細(xì)胞期停止生長，并在ZGA 過程中出現(xiàn)異?；虮磉_(dá)[48]。同樣在小鼠和人類精子DNA 中，精蛋白中都存在少量的修飾組蛋白，這些組蛋白會傳遞到雄原核中[24,40,49]。H3K4me2、H3K4me3 和H3K27me3 都出現(xiàn)在與發(fā)育有關(guān)的精子啟動子上，后者最先在胚胎中發(fā)現(xiàn)，與抑制基因表達(dá)有關(guān)。

此外，富含G/C 的區(qū)域也很重要，因為它們是5-甲基胞嘧啶修飾的位點(diǎn)，這些修飾與轉(zhuǎn)錄靜止區(qū)有關(guān)。CpG 二核苷酸處的胞嘧啶甲基化由DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（如Dnmt1）催化，甲基轉(zhuǎn)移酶活性的抑制導(dǎo)致MZT期間許多合子基因過早表達(dá)[50]。與組蛋白標(biāo)記一樣，精子DNA 中也存在特定的甲基化模式，但這些甲基化模式在受精時基本消失，只在囊胚中重新出現(xiàn)[49,51]。因此，轉(zhuǎn)錄能力以及基因表達(dá)的特異性是通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的可及性來實現(xiàn)的。核小體重定位、組蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄DNA 甲基化的結(jié)合保證了MZT 中轉(zhuǎn)錄的發(fā)生。

4 展 望

合子的基因激活在MZT 過程中是一個多方面多因素調(diào)控的結(jié)果。在不同物種間，MZT 的過程基本是保守的，但是基因的轉(zhuǎn)錄和激活在許多方面有著驚人的相似和相通性。深入了解這一過程中細(xì)胞周期的變化、轉(zhuǎn)錄因子的狀態(tài)和染色質(zhì)的開放程度如何相互關(guān)聯(lián)，以及它們在多大程度上影響了合子的轉(zhuǎn)錄激活，才能盡快對早期胚胎中基因組激活的時間和分化機(jī)制做出更深一步解釋。

因此，一些母體產(chǎn)物的清除是合子的基因組激活所必需的，但這是如何完成的，ZGA 主要過程之間的因果關(guān)系以及涉及到的因素，仍然在很大程度上是未知的。雖然很容易推測有一些機(jī)制會直接連接這兩種RNA 的代謝活動，但它的發(fā)生到底是由幾個獨(dú)立機(jī)制的累加作用引起的，還是通過一系列單一控制點(diǎn)的分子時間所引發(fā)的，目前尚不清楚。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，可以通過高通量基因組學(xué)及轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，利用高精密度的儀器和更少的實驗樣本去探究ZGA 過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和染色體狀態(tài)，甚至是單個胚胎的發(fā)育情況。未來還需要進(jìn)一步的研究來揭示胚胎早期發(fā)育過程中ZGA 階段的關(guān)鍵候選基因及其動力學(xué)機(jī)制，這對了解哺乳動物早期胚胎的發(fā)育進(jìn)程有著十分重要的意義，同時為動物繁育技術(shù)的開展和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。