本文是一项科学研究的总结，研究的主要内容发表在《Nature》杂志上，标题为“Obox regulates mouse zygotic genome activation and early development”，发表于2023年8月31日。本研究由清华大学、美国国立卫生研究院、宾夕法尼亚大学和浙江大学等科研机构的多位研究人员共同完成。

研究背景

受精卵的受精后，主要遗传控制从母体转移到胚胎基因组，这一过程被称为受精卵基因组激活（Zygotic Genome Activation, ZGA）。然而，在哺乳动物体内，主导这一关键事件的转录因子的详细身份和机制仍未被完全阐明。以往的研究在果蝇中发现了如Zelda和GAF等关键转录因子，在鱼类等脊椎动物中发现了Nanog和SOX家族的转录因子，而在小鼠中，DUX被认为参与了少量的ZGA基因激活。然而，DUX的缺失对ZGA和小鼠发育影响较小。这一背景下，本研究旨在揭示哺乳动物ZGA过程中新的关键调节因子及其具体生物学机制。

研究目的

研究团队希望通过调查特定基因家族的功能特性，识别并验证小鼠中与ZGA相关的关键调控因子，并通过基因敲除和功能分析明确其在胚胎发育中的作用。

研究方法与流程

1. 候选基因筛选

研究者利用高通量测序数据筛选在ZGA时期（包括少量ZGA和大量ZGA阶段）大量翻译的转录因子，发现Obox家族（Obox1—Obox8）在1细胞胚胎（1C），早期2细胞胚胎（E2C）和晚期2细胞胚胎（L2C）的翻译水平显著升高。

2. 基因敲除策略

由于Obox家族基因具有功能冗余性，单独敲除单个基因未表现发育缺陷。团队遂通过基因编辑同时敲除母源Obox1/2/5/7基因和受精后表达的Obox3/4基因，即构建“Obox -/-”小鼠。实验结果显示，Obox−/−小鼠在胚胎发育停滞于2细胞至4细胞阶段，表明Obox对早期胚胎发育至关重要。

3. 再激活实验

通过在Obox−/−胚胎补充母源或合子Obox基因，团队成功恢复了胚胎发育，进一步表明母源与合子Obox蛋白对胚胎发育具有功能冗余性和互补性。

4. 基因组结合分析

利用染色质结合实验（如ATAC-seq和ChIP-seq），作者发现Obox蛋白主要结合ZGA基因的启动子和增强子区域，显著富集于含有特定DNA结合位点的区域。这些靶向基因包括许多负责核糖体功能、mRNA剪接和翻译等基本细胞活动的大量ZGA基因。

5. RNA聚合酶II预装机制

实验发现，Obox通过促进RNA聚合酶II (Pol II) 从1细胞胚胎特异性靶向基因转移到2细胞活性基因启动子和增强子处，从而实现染色质重新配置和基因激活。Obox基因敲除会导致胚胎Pol II的异常滞留和目标基因表达丧失。

6. 细胞实验验证

研究团队在胚胎干细胞（ES细胞）中过表达Obox基因，发现其能够激活多个ZGA基因以及内源性逆转录元件（如MERVL），进一步支持Obox对基因激活的驱动过程。

研究结果

研究证明，Obox家族在小鼠胚胎发育和ZGA过程中的功能不可替代，其机制包括： 1. 调节母源到合子控制的转变：通过介导Pol II的染色质加载，实现ZGA基因激活； 2. 染色质预配置：促进启动子和增强子区域的染色质开放； 3. 基因激活冗余性：母源和合子Obox蛋白间的调控功能冗余性表现显著。

此外，该研究明确了Obox不仅对ZGA是必需的，还可防止未被正确关闭的基因的异常激活，这对维持胚胎早期发育的正常进行至关重要。

研究意义

本研究首次系统性地揭示出Obox家族是哺乳动物胚胎基因组激活的关键调节因子，填补了ZGA发生过程中的重要发现空白，具有多方面深远的科学意义： 1. 基础科学意义：明确了一个之前未知的ZGA调控网络，推动科学界对哺乳动物胚胎发育早期遗传机制的理解。 2. 临床潜力：有助于建立针对胚胎发育失败（如不孕症、早期流产）的新型分子诊断与干预策略。 3. 进化意义：提示Obox基因家族的快速进化和功能冗余可能是保证物种生存的重要策略。

研究亮点

1. Obox家族作为首次被明确的哺乳动物ZGA重要调控因子，为胚胎早期发育研究提供新视角；
2. 实验设计整合了遗传编辑、染色质分析以及细胞功能验证等多重技术手段，数据支持全面而充分；
3. 研究将Pol II染色质预配置的机制首次细化到特定调控蛋白，为后续基因研究奠定理论基础。

展望

研究表明，Obox家族与其他因子（如DUX）可能存在互相平行功能。此外，类似的功能因子如人类胚胎中的TPRXs家族值得进一步比较研究，以探究不同物种间胚胎发育调控的共性和特异性。总之，这项研究为解开哺乳动物胚胎发育的分子奥秘奠定了关键一步。