首次發現類泛素蛋白SUMO修飾在ZGA過程中有潛在重要功能

　　6月21日，北京大學分子醫學研究所汪陽明研究組與胡新立以及清華大學那潔實驗室合作在PLOS Biology在線發表最新研究成果“DPPA2/4 and SUMO E3 ligase PIAS4 opposingly regulate zygotic transcriptional program”。該研究發現PIAS4及SUMO2修飾是受精卵基因組激活以及體外全能樣干細胞轉化的屏障。

SUMO2 E3連接酶PIAS4及類泛素化修飾是受精卵基因組激活和全能樣干細胞轉化的屏障

　　生命究竟從何時開始？很多人認為是精子與卵子結合的那一刻。然而，一個生命真正擁有個性的時刻，卻是直到啟動承繼于父母親的基因組轉錄才開始，這一刻被稱為受精卵基因組激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）期，有時也稱為合子基因組激活期。ZGA在小鼠中發生于受精卵分裂成為兩個細胞時（2細胞期），在人中則發生于4細胞至8細胞期。這一時期的一個主要特征是基因組大范圍的轉錄激活，包括那些在成體細胞中可能有害的重復序列，如LINE1和ERV逆轉座子。ZGA對于胚胎的正常發育至關重要，但是迄今為止，控制這一過程的分子機制仍然迷霧重重。有意思的是，體外培養的胚胎干細胞中會有大約1%的細胞激活ERV逆轉座子及部分ZGA時期特異表達基因的轉錄，這些細胞被稱為“全能樣干細胞”或“2細胞樣干細胞”。由于與2細胞期的胚胎共享部分轉錄程序，且比胚胎更容易培養和操作，2細胞樣干細胞近年來被用作模型解析ZGA的分子機制。

　　汪陽明實驗室通過研究胚胎干細胞向2細胞樣干細胞轉化的過程，鑒定得到了一個類泛素蛋白SUMO2 E3連接酶PIAS4，它可以強烈地抑制胚胎干細胞向2細胞樣干細胞轉化。通過SUMO2免疫共沉淀實驗他們鑒定出了92個PIAS4的潛在蛋白底物，接著利用CRISPRi技術對這些基因分別進行了敲低，發現了多個參與調控2細胞樣干細胞轉化的因子。其中轉錄因子DPPA2可以促進2細胞樣干細胞轉化，但是PIAS4介導的SUMO2修飾使其由激活因子轉變成了一個強烈的抑制因子；這也就解釋了為什么PIAS4蛋白在2細胞樣干細胞中幾乎不表達，因為唯有如此才能釋放DPPA2的激活功能。更有意思的是，他們的發現在受精卵發育過程中得到了驗證。PIAS4的表達在受精卵進入2細胞期時顯著下降，DPPA2的表達則顯著上升，并且在受精卵中注射PIAS4或者SUMO2-DPPA2融合蛋白會嚴重損害胚胎的發育，致使大量胚胎停滯在2細胞期。由此他們得到結論，PIAS4以及由其催化生成的帶有SUMO2修飾的DPPA2可能是ZGA激活過程中的屏障，移除這些屏障對于激活ZGA至關重要。本研究首次發現類泛素蛋白SUMO修飾在ZGA過程中有潛在重要功能。

　　北京大學分子醫學研究所2012級博士生閆躍龍和前沿交叉學院2014級博士生張超為該論文共同第一作者，郝菁等為本論文作出重要貢獻。北京大學分子醫學研究所胡新立、王雪連協助執行小鼠胚胎RNA注射實驗，清華大學醫學院那潔實驗室明佳協助執行小鼠胚胎嵌合實驗。中國科學院陸發隆研究員與清華大學頡偉研究員為本論文提供了寶貴意見。該研究由國家自然科學基金委和國家重點研發計劃“干細胞與轉化研究”試點專項資助。