轉錄因子DUX在哺乳動物早期胚胎發育中的作用研究進展

陳欣，楊菁

(武漢大學人民醫院生殖醫學中心，湖北省輔助生殖與胚胎發育醫學臨床研究中心，武漢 430060)

哺乳動物胚胎發育起始于配子受精后的受精卵，受精后基因表達的啟動稱為合子基因組激活(zygotic gene activation，ZGA)[1]，它是卵母細胞過渡到胚胎的一部分，也是早期胚胎發育過程中重要的轉折點。終端分化的精子和卵母細胞融合后形成全能性的受精卵，隨后來自父源和母源的基因組在表觀遺傳狀態上逐步趨向一致，最終重編程為相同的狀態[2]。這種重編程發生在受精卵細胞轉錄和轉錄后水平，但是在早期胚胎發育時期轉錄反應幾乎都是沉默的，直到合子基因組激活[3]，這種重編程對胚胎的早期發育起著至關重要的作用，一旦出現差錯將會導致胚胎畸形或發生其他疾病甚至死亡[4]。近年來研究發現轉錄因子雙同源盒(double homeobox，DUX)家族蛋白是哺乳動物合子基因組激活的關鍵誘導物，能夠調節哺乳動物中的合子基因組活化[5]。本文對DUX在哺乳動物早期胚胎發育中的作用研究進展做一綜述。

一、早期胚胎發育的概述

了解植入前早期胚胎發育對輔助生殖技術(ART)和基于人類胚胎干細胞(hESC)療法的發展具有重要意義[6]。以往對于胚胎發育的研究重點是胚胎的形態學檢查和能夠改善體外胚胎培養的因素的鑒定，例如體外使人類卵母細胞受精、冷凍保存和解凍人類胚胎以及促進人類胚泡形成所需的條件等[7]。然而，隨著先進的成像技術和敏感的基因表達譜分析技術的發展，有研究開始在細胞和分子分辨率上提供對哺乳動物早期胚胎發育更清晰的理解。Xi等[8]利用免疫細胞化學技術和定量實時聚合酶鏈反應(qRT-PCR)對不同發育階段的小鼠卵母細胞和胚胎進行研究，試圖發現利尿鈉肽受體2(NPR2)在小鼠卵母細胞和植入前胚胎中的表達和定位，證實NPR2可能在早期胚胎發育和胚胎植入中發揮重要作用。

另一項研究通過蛋白質印跡和免疫細胞化學技術檢測了青春期前山羊的未成熟和體外成熟(IVM)卵母細胞、2～8細胞期胚胎和胚泡中是否存在激活素ⅡA和ⅡB受體(ACTR-IIA和ACTR-IIB)，該研究結果揭示了在IVM的青春期前山羊卵母細胞和胚泡期胚胎中存在ACTR-ⅡA和ACTR-ⅡB，這些受體的表達可能是理解有能力和無能力卵母細胞之間差異的一個關鍵因素[9]。此外，還有研究證明內源性逆轉錄病毒(ERV)在哺乳動物植入前的胚胎發育期間，可以作為基因表達的調節元件起作用，并且由于ERV激活與ZGA存在密切關系，探索ERV激活的調控機制很可能為體細胞核移植(SCNT)模型動物的胚胎發育提供更多的線索[10]。但是我們對哺乳動物早期胚胎發育的細胞和分子機制的認識仍然很有限，加上物種特異性差異，例如基因組激活的時間、基因表達模式[11]和表觀遺傳修飾模式[12]等在不同物種中都是不同的，這些都限制了科研人員對人類胚胎發育的研究進展。

早期胚胎發育是一個受到嚴格而有序的基因表達調控的過程，合子轉錄的開始是早期胚胎發育的關鍵事件[13]。近期發現DUX家族蛋白是哺乳動物中合子轉錄開始的關鍵因子，DUX家族蛋白能與ZGA過程中的相關基因結合，并且激發它們的表達。

二、DUX的概述

1. DUX的生物學特征與功能：DUX是真獸類哺乳動物所特有的轉錄因子，哺乳動物基因組中有3個DUX基因家族，它們分別為DUXA、DUXB和DUXC[14]。DUX4是DUXC家族中的人類代表蛋白，在人類基因組中，DUX4是一個DUXC切去內含子的產物，以10到100個單位的序列嵌套在4號染色體的D4Z4大衛星重復序列中而產生。并且，DUX4通常在睪丸和卵裂期胚胎中表達[15]。Lee等[16]通過分析DNA復合物中DUX4雙同源區的晶體結構發現：DUX4同源結構域(HDs)以頭對頭排列、串聯的形式與DNA相結合；DUX4同源結構域HD1和HD2分別綁定不同的核心序列：TAAT和TGAT；DUX4同源結構域HD1中的Glu70-Arg73鹽橋解釋了差異核心序列特異性；HD1改變的靶特異性似乎是靈長類動物特有的。

Eidahl等[17]評估了DUX家族基因的毒性表型，其中包括DUX4、DUX1、DUX5、DUXA、DUX4-s、DUX-bl和小鼠DUX，研究發現并非所有DUX蛋白都具備毒性，通常只有小鼠DUX基因與人DUX4會引起相似的細胞毒性，說明DUX家族的不同成員具有不同的性質并發揮不同的功能。同時有研究發現DUX4在體細胞中的異位表達通過某種機制導致細胞死亡，這可能需要DUX4特異性的C末端結構域[18]。

2. DUX與疾病：已經有研究證實了DUX4基因的異常表達與面部肱骨肌營養不良(FSHD)相關[19]，在這種疾病中，由于DUX4的不當表達引發細胞凋亡，其機制可能是人成肌細胞中低水平的DUX4表達損害了MYOD1和MYF5的表達和肌管分化，從而破壞了肌的生成[20]。另一項研究發現DUX4向IgH基因座的易位與B細胞白血病有關，近年來已被視為青少年急性淋巴細胞白血病的主要原因，雖然DUX4不在正常B細胞中表達，但研究已顯示DUX4易位會損害其在白血病細胞中的正常DNA結合[21]。

三、DUX與早期胚胎發育

哺乳動物早期胚胎發育是一個復雜發育時期，涉及染色質結構和轉錄活性的重大變化[22]，在卵裂期(2細胞、4細胞和8細胞胚胎)發生的一些特殊事件對胚胎發育的成功至關重要，包括ZGA、表觀遺傳重編程(例如DNA去甲基化和染色質重塑)以及端粒長度的恢復。其中，ZGA是早期胚胎發生過程中遺傳控制的關鍵點，是合子發育和胚胎發生的必要條件[23]。人類基因組編碼兩個額外的DUX4同源旁系物DUXA和DUXB，它們僅在早期受精卵中的全能8細胞階段表達[24]，提示DUX轉錄因子可能在胚胎的發育上起重要作用。

1. DUX驅動胚胎發育：為了更好地了解人類的早期胚胎發育，Hendrickson等[25]為卵母細胞和胚胎搜集了全面的RNA-seq數據集，它們不僅為早期胚胎發育的研究提供了專業的數據資料，還能夠在計算機中鑒定切割特異性基因上游的DUX4高度富集的結合基序。DUX基因家族是配對同源結構域(PRD)類的成員，PRD其中包括ARGFX、LEUTX、DPRX和TPRX1，它們都顯示出快速進化和分化的跡象，并與人類的ZGA有關[24-30]。有研究證明DUX4位于ZGA啟動的轉錄層次結構頂部，有助于在哺乳動物早期胚胎發育過程中驅動重要的發育事件[23]。并且，還有研究發現人類DUX4和小鼠DUX在它們各自的物種中都在ZGA之前表達，這兩種同源蛋白與ZGA相關基因的啟動子結合并激活它們的轉錄，研究者發現敲除小鼠胚胎干細胞(mESCs)中的DUX可阻止細胞循環進入2細胞樣狀態，從而推斷出小鼠DUX和人DUX4很可能是胚胎發育進入2細胞期的主要驅動因子，它們的耗竭將會導致ZGA缺陷和早期胚胎發育受損甚至停滯[5]。然而，最近一項研究通過對小鼠DUX基因進行敲除后發現，小鼠ZGA相關基因以及小鼠胚胎干細胞內識別的許多外源性DUX靶基因仍然在DUX敲除小鼠的胚胎中被激活[31]。由此認為，雖然DUX對mESCs進入2細胞樣狀態有著至關重要的作用，但是DUX的丟失并不會阻止小鼠胚胎的發育，有可能是其他轉錄因子或者染色質重塑因子在2細胞胚胎中激活ZGA相關基因發揮了作用。

2. DUX激活合子基因組：最近有研究表明，人DUX4或小鼠DUX負責驅動全能胚胎干細胞發育過程中ZGA的卵裂期基因表達[5，23]。當DUX4在人誘導的多能干細胞(iPSC)中過表達時，可激活ZGA相關基因和反轉錄轉座子，并且有研究推測DUX4可直接與四分之一的這類ZGA相關基因結合[32]。當人DUX4和小鼠DUX在肌肉細胞中表達時，可以激活類似于早期胚胎發育到2細胞期的程序相關基因，表明DUX和DUX4可能調節早期胚胎中的2細胞樣程序，盡管它們的同源結構域和結合序列存在差異，但這些因子仍然保持了它們在其自身物種內激活2細胞樣基因特征的能力[23]。

目前尚不清楚編碼DUX家族轉錄因子的基因在胚胎發育早期是如何短暫激活的，可能是由于合子中的全基因組DNA去甲基化，加上在ZGA期間缺乏抑制性異染色質，從而為母體轉錄因子提供了激活基因表達的短暫機會。與此相關的一項研究報道了在胚胎發育到2細胞期時，染色質組裝因子(CAF-1)介導的染色質組裝與DNA合成發生短暫的解偶聯，從而潛在地降低基因組中核小體的占有率，并允許DUX表達爆發[33]。轉錄因子DUX在ZGA中被表達，并且能夠激活許多ZGA下游的轉錄物，但尚不清楚具體哪些上游母體因素以依賴于DUX的方式或不依賴于DUX的方式啟動ZGA。Eckersley-Maslin等[34]利用過表達、敲除和挽救實驗以及轉錄分析發現Dppa2和Dppa4需要DUX來啟動2細胞樣轉錄，提示它們通過直接調控DUX在上游發揮作用；染色質免疫沉淀結合高通量測序分析表明，Dppa2和Dppa4與DUX啟動子結合并驅動其表達，從而發揮出DUX在早期胚胎發育中引起ZGA的作用。

四、總結與展望

隨著人類社會的發展和科學技術的進步，人們對胚胎健康的關注早已不僅僅局限于胚胎著床之后的時段，胚胎的早期發育越來越被重視。早期胚胎發育異常可導致不孕和復發性流產等妊娠相關疾病的發生。雖然DUX在哺乳動物早期胚胎發育中啟動ZGA的作用仍然有爭議，但是轉錄因子DUX家族在早期胚胎發育轉錄激活中的潛在作用還是值得挖掘和探索的，可以為不孕和復發性流產等妊娠相關疾病的機制研究與臨床治療提供新的思路，同時為ART、植入前遺傳學篩查等技術的發展與應用提供理論基礎。