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NSR | 孔庆然/黄国宁/高绍荣发现乳酸通过H3K18乳酸化调节哺乳动物合子基因组的激活

时间:2023-12-03 来源: 浏览:

NSR | 孔庆然/黄国宁/高绍荣发现乳酸通过H3K18乳酸化调节哺乳动物合子基因组的激活

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乳酸在哺乳动物体内和体外植入前胚胎的微环境中含量很高。然而,其在植入前发育中的作用尚不清楚。

2023年11月20日,温州医科大学孔庆然、重庆医科大学黄国宁、同济大学高绍荣共同通讯在 National Science Review (IF=21)在线发表题为“ Lactate regulates major zygotic genome activation by H3K18 lactylation in mammals ”的研究论文, 该研究报道了在人类和小鼠中,当主要的合子基因组激活(ZGA)发生时,乳酸在早期胚胎的细胞核中高度富集。 抑制其产生和摄取导致2细胞期发育停滞,ZGA主要失效,乳酸来源的H3K18lac丢失,这可以通过添加Lac-CoA来挽救,并通过过量表达H3K18R突变来重现。

通过分析小鼠着床前发育过程中H3K18lac的分布,发现H3K18lac富集于大多数主要ZGA基因的启动子区域,并与它们的表达相关。在人类中,H3K18lac也富含ZGA标记,并与它们的表达在时间上相伴随。 综上所述,该研究分析了H3K18lac在小鼠和人类着床前胚胎中的表达情况,并证明了H3K18lac在主要ZGA中的重要作用,揭示了哺乳动物胚胎着床前发育的保守代谢机制。

哺乳动物从受精卵到囊胚的着床前发育涉及一系列重要的生物学事件,其中包括合子基因激活(zygotic gene activation, ZGA)。 ZGA是生命中第一个转录事件,其特征是激活一组基因(如 Usp 基因)。在小鼠中,最初的ZGA发生在合子的S期和早期2细胞胚胎的G1期之间,被称为次要ZGA,以区别于发生在2细胞中后期的转录爆发,这被称为主要ZGA。 广泛的表观遗传学重编程在哺乳动物植入前胚胎发育中起着重要作用,并与ZGA密切相关。 例如,正常的ZGA需要广泛的H3K4me3结构域向转录起始位点(transcriptional-start-site, TSS)区域过渡。 因此,表观遗传重塑对ZGA的调控还有待进一步研究。
细胞代谢是一切生物活动的基础,其动力学与表观遗传学的变化直接相关。 代谢重编程及其调控与哺乳动物早期胚胎发育的复杂程序紧密相关,例如一对竞争性代谢物(如α-KG和2-HG)的相互变化在小鼠早期胚胎发生过程中动态消除组蛋白甲基化中的作用。
机理模式图(图源自 National Science Review 
作者建立了小鼠着床前胚胎从受精卵到囊胚期的代谢组谱 ,发现突出的代谢辅助因子NAD + 与去乙酰化酶SIRT1的结合,在2细胞晚期清除了合子H3K27ac,以退出小的ZGA,这对于小鼠和人类着床前胚胎发育至关重要。 此外,在研究中,作者观察到乳酸在2细胞胚胎中含量较高,并且与2细胞胚胎顶部基因密切相关,提示在ZGA中有功能作用。
乳酸作为一种主要的营养物质,在体内和体外的发育微环境中含量都很高,并且早在受精卵阶段就很容易被氧化。 然而,其在哺乳动物着床前胚胎发育中的作用尚不清楚。之前的研究发现了一种新的表观遗传修饰,乳酸衍生的组蛋白乳酸化,可激活基因转录。该研究证明了当ZGA发生时,人类和小鼠胚胎的细胞核中都高度富集乳酸,并且乳酸的剥夺导致着床前发育在2细胞阶段停滞和主要的ZGA失败。乳酸来源的H3K18lac在主要ZGA基因的启动子区域富集,并参与主要ZGA。 该研究揭示了H3K18lac在哺乳动物主要ZGA中的重要作用,为细胞代谢和表观遗传重塑在胚胎发生调控中的串扰提供了新的见解。
原文链接:
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad295

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