转录因子DUX在哺乳动物早期胚胎发育中的作用研究进展

陈欣，杨菁

(武汉大学人民医院生殖医学中心，湖北省辅助生殖与胚胎发育医学临床研究中心，武汉 430060)

哺乳动物胚胎发育起始于配子受精后的受精卵，受精后基因表达的启动称为合子基因组激活(zygotic gene activation，ZGA)[1]，它是卵母细胞过渡到胚胎的一部分，也是早期胚胎发育过程中重要的转折点。终端分化的精子和卵母细胞融合后形成全能性的受精卵，随后来自父源和母源的基因组在表观遗传状态上逐步趋向一致，最终重编程为相同的状态[2]。这种重编程发生在受精卵细胞转录和转录后水平，但是在早期胚胎发育时期转录反应几乎都是沉默的，直到合子基因组激活[3]，这种重编程对胚胎的早期发育起着至关重要的作用，一旦出现差错将会导致胚胎畸形或发生其他疾病甚至死亡[4]。近年来研究发现转录因子双同源盒(double homeobox，DUX)家族蛋白是哺乳动物合子基因组激活的关键诱导物，能够调节哺乳动物中的合子基因组活化[5]。本文对DUX在哺乳动物早期胚胎发育中的作用研究进展做一综述。

一、早期胚胎发育的概述

了解植入前早期胚胎发育对辅助生殖技术(ART)和基于人类胚胎干细胞(hESC)疗法的发展具有重要意义[6]。以往对于胚胎发育的研究重点是胚胎的形态学检查和能够改善体外胚胎培养的因素的鉴定，例如体外使人类卵母细胞受精、冷冻保存和解冻人类胚胎以及促进人类胚泡形成所需的条件等[7]。然而，随着先进的成像技术和敏感的基因表达谱分析技术的发展，有研究开始在细胞和分子分辨率上提供对哺乳动物早期胚胎发育更清晰的理解。Xi等[8]利用免疫细胞化学技术和定量实时聚合酶链反应(qRT-PCR)对不同发育阶段的小鼠卵母细胞和胚胎进行研究，试图发现利尿钠肽受体2(NPR2)在小鼠卵母细胞和植入前胚胎中的表达和定位，证实NPR2可能在早期胚胎发育和胚胎植入中发挥重要作用。

另一项研究通过蛋白质印迹和免疫细胞化学技术检测了青春期前山羊的未成熟和体外成熟(IVM)卵母细胞、2～8细胞期胚胎和胚泡中是否存在激活素ⅡA和ⅡB受体(ACTR-IIA和ACTR-IIB)，该研究结果揭示了在IVM的青春期前山羊卵母细胞和胚泡期胚胎中存在ACTR-ⅡA和ACTR-ⅡB，这些受体的表达可能是理解有能力和无能力卵母细胞之间差异的一个关键因素[9]。此外，还有研究证明内源性逆转录病毒(ERV)在哺乳动物植入前的胚胎发育期间，可以作为基因表达的调节元件起作用，并且由于ERV激活与ZGA存在密切关系，探索ERV激活的调控机制很可能为体细胞核移植(SCNT)模型动物的胚胎发育提供更多的线索[10]。但是我们对哺乳动物早期胚胎发育的细胞和分子机制的认识仍然很有限，加上物种特异性差异，例如基因组激活的时间、基因表达模式[11]和表观遗传修饰模式[12]等在不同物种中都是不同的，这些都限制了科研人员对人类胚胎发育的研究进展。

早期胚胎发育是一个受到严格而有序的基因表达调控的过程，合子转录的开始是早期胚胎发育的关键事件[13]。近期发现DUX家族蛋白是哺乳动物中合子转录开始的关键因子，DUX家族蛋白能与ZGA过程中的相关基因结合，并且激发它们的表达。

二、DUX的概述

1. DUX的生物学特征与功能：DUX是真兽类哺乳动物所特有的转录因子，哺乳动物基因组中有3个DUX基因家族，它们分别为DUXA、DUXB和DUXC[14]。DUX4是DUXC家族中的人类代表蛋白，在人类基因组中，DUX4是一个DUXC切去内含子的产物，以10到100个单位的序列嵌套在4号染色体的D4Z4大卫星重复序列中而产生。并且，DUX4通常在睾丸和卵裂期胚胎中表达[15]。Lee等[16]通过分析DNA复合物中DUX4双同源区的晶体结构发现：DUX4同源结构域(HDs)以头对头排列、串联的形式与DNA相结合；DUX4同源结构域HD1和HD2分别绑定不同的核心序列：TAAT和TGAT；DUX4同源结构域HD1中的Glu70-Arg73盐桥解释了差异核心序列特异性；HD1改变的靶特异性似乎是灵长类动物特有的。

Eidahl等[17]评估了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，研究发现并非所有DUX蛋白都具备毒性，通常只有小鼠DUX基因与人DUX4会引起相似的细胞毒性，说明DUX家族的不同成员具有不同的性质并发挥不同的功能。同时有研究发现DUX4在体细胞中的异位表达通过某种机制导致细胞死亡，这可能需要DUX4特异性的C末端结构域[18]。

2. DUX与疾病：已经有研究证实了DUX4基因的异常表达与面部肱骨肌营养不良(FSHD)相关[19]，在这种疾病中，由于DUX4的不当表达引发细胞凋亡，其机制可能是人成肌细胞中低水平的DUX4表达损害了MYOD1和MYF5的表达和肌管分化，从而破坏了肌的生成[20]。另一项研究发现DUX4向IgH基因座的易位与B细胞白血病有关，近年来已被视为青少年急性淋巴细胞白血病的主要原因，虽然DUX4不在正常B细胞中表达，但研究已显示DUX4易位会损害其在白血病细胞中的正常DNA结合[21]。

三、DUX与早期胚胎发育

哺乳动物早期胚胎发育是一个复杂发育时期，涉及染色质结构和转录活性的重大变化[22]，在卵裂期(2细胞、4细胞和8细胞胚胎)发生的一些特殊事件对胚胎发育的成功至关重要，包括ZGA、表观遗传重编程(例如DNA去甲基化和染色质重塑)以及端粒长度的恢复。其中，ZGA是早期胚胎发生过程中遗传控制的关键点，是合子发育和胚胎发生的必要条件[23]。人类基因组编码两个额外的DUX4同源旁系物DUXA和DUXB，它们仅在早期受精卵中的全能8细胞阶段表达[24]，提示DUX转录因子可能在胚胎的发育上起重要作用。

1. DUX驱动胚胎发育：为了更好地了解人类的早期胚胎发育，Hendrickson等[25]为卵母细胞和胚胎搜集了全面的RNA-seq数据集，它们不仅为早期胚胎发育的研究提供了专业的数据资料，还能够在计算机中鉴定切割特异性基因上游的DUX4高度富集的结合基序。DUX基因家族是配对同源结构域(PRD)类的成员，PRD其中包括ARGFX、LEUTX、DPRX和TPRX1，它们都显示出快速进化和分化的迹象，并与人类的ZGA有关[24-30]。有研究证明DUX4位于ZGA启动的转录层次结构顶部，有助于在哺乳动物早期胚胎发育过程中驱动重要的发育事件[23]。并且，还有研究发现人类DUX4和小鼠DUX在它们各自的物种中都在ZGA之前表达，这两种同源蛋白与ZGA相关基因的启动子结合并激活它们的转录，研究者发现敲除小鼠胚胎干细胞(mESCs)中的DUX可阻止细胞循环进入2细胞样状态，从而推断出小鼠DUX和人DUX4很可能是胚胎发育进入2细胞期的主要驱动因子，它们的耗竭将会导致ZGA缺陷和早期胚胎发育受损甚至停滞[5]。然而，最近一项研究通过对小鼠DUX基因进行敲除后发现，小鼠ZGA相关基因以及小鼠胚胎干细胞内识别的许多外源性DUX靶基因仍然在DUX敲除小鼠的胚胎中被激活[31]。由此认为，虽然DUX对mESCs进入2细胞样状态有着至关重要的作用，但是DUX的丢失并不会阻止小鼠胚胎的发育，有可能是其他转录因子或者染色质重塑因子在2细胞胚胎中激活ZGA相关基因发挥了作用。

2. DUX激活合子基因组：最近有研究表明，人DUX4或小鼠DUX负责驱动全能胚胎干细胞发育过程中ZGA的卵裂期基因表达[5，23]。当DUX4在人诱导的多能干细胞(iPSC)中过表达时，可激活ZGA相关基因和反转录转座子，并且有研究推测DUX4可直接与四分之一的这类ZGA相关基因结合[32]。当人DUX4和小鼠DUX在肌肉细胞中表达时，可以激活类似于早期胚胎发育到2细胞期的程序相关基因，表明DUX和DUX4可能调节早期胚胎中的2细胞样程序，尽管它们的同源结构域和结合序列存在差异，但这些因子仍然保持了它们在其自身物种内激活2细胞样基因特征的能力[23]。

目前尚不清楚编码DUX家族转录因子的基因在胚胎发育早期是如何短暂激活的，可能是由于合子中的全基因组DNA去甲基化，加上在ZGA期间缺乏抑制性异染色质，从而为母体转录因子提供了激活基因表达的短暂机会。与此相关的一项研究报道了在胚胎发育到2细胞期时，染色质组装因子(CAF-1)介导的染色质组装与DNA合成发生短暂的解偶联，从而潜在地降低基因组中核小体的占有率，并允许DUX表达爆发[33]。转录因子DUX在ZGA中被表达，并且能够激活许多ZGA下游的转录物，但尚不清楚具体哪些上游母体因素以依赖于DUX的方式或不依赖于DUX的方式启动ZGA。Eckersley-Maslin等[34]利用过表达、敲除和挽救实验以及转录分析发现Dppa2和Dppa4需要DUX来启动2细胞样转录，提示它们通过直接调控DUX在上游发挥作用；染色质免疫沉淀结合高通量测序分析表明，Dppa2和Dppa4与DUX启动子结合并驱动其表达，从而发挥出DUX在早期胚胎发育中引起ZGA的作用。

四、总结与展望

随着人类社会的发展和科学技术的进步，人们对胚胎健康的关注早已不仅仅局限于胚胎着床之后的时段，胚胎的早期发育越来越被重视。早期胚胎发育异常可导致不孕和复发性流产等妊娠相关疾病的发生。虽然DUX在哺乳动物早期胚胎发育中启动ZGA的作用仍然有争议，但是转录因子DUX家族在早期胚胎发育转录激活中的潜在作用还是值得挖掘和探索的，可以为不孕和复发性流产等妊娠相关疾病的机制研究与临床治疗提供新的思路，同时为ART、植入前遗传学筛查等技术的发展与应用提供理论基础。