Nature Portfolio | 探索胚胎早期发育过程的新体系

中国海洋大学、昆明理工大学、成都中医药大学合作团队使用远缘杂交海鞘体系，为理解胚胎早期发育的关键过程提出了新的观点，并为使用非模式生物研究发育生物学问题提供了范例。该研究于2024年3月16日发表在《自然-通讯》上1。

海鞘分布广泛，种类上千，是现存与脊椎动物亲缘关系最接近的无脊椎动物。研究人员利用人工授精，成功培育出玻璃海鞘(左)和萨氏海鞘(右)的杂交胚胎，以便更好理解合子基因组激活机制。图片来源：中国科学院海洋研究所王昊

胚胎发育最初仅依赖于卵子中储备的物质，在这个阶段行使功能的基因称为母源基因。当受精卵分裂一定次数之后，受精卵（称为合子）自身的基因才开始表达，这个过程称为合子基因组激活（Zygotic Genome Activation）。该过程的一个重要部分，就是胚胎中原本沉默的持家基因（housekeeping gene）重新激活。持家基因维持着细胞的基本生命活动，在多细胞生物体中所有的细胞、所有的阶段都需要表达。

关于合子基因组激活的调控机制，学界基于对果蝇、斑马鱼等经典模式动物的研究，提出了多种假说来解释。其中，母源时钟模型认为，受精启动了一系列生物化学的级联反应，一些活化因子不断积累，起到分子时钟的作用,以确保转录启动和胚胎正常发育；而核质比模型认为，随着细胞体积增大，抑制转录的物质逐渐稀释，最终使这一过程得以启动。

由于合子基因组激活存在于动物界所有的有性生殖过程中，为了更加全面地理解其机制，需要使用其他演化节点动物进行研究。为此，研究团队使用玻璃海鞘（Ciona robusta）和萨氏海鞘（C. savignyi）构建了杂交体系。

海鞘属于脊索动物门尾索动物亚门，是现存与脊椎动物亲缘关系最接近的无脊椎动物。其中，玻璃海鞘属分布广泛，身体结构基本透明，易于实验操作，学术界对其胚胎发育的细胞谱系已有充分认识。而玻璃海鞘与萨氏海鞘在约1.2亿年前分化，基因序列差异巨大，自然条件下不发生杂交。研究团队通过人工授精，获得两种海鞘的正交与反交杂交胚胎体系。在这样的杂交胚胎中，来自卵子的基因和来自受精卵的基因容易区分，为观察合子基因组激活过程提供了便利。

研究识别出两轮启动过程，分别对应早期发育基因与持家基因的重新激活。通过单细胞转录组测序分析，研究团队发现，在该杂交系统中，持家基因的激活并不遵循母源时钟模型，也不适用核质比模型，而是与细胞在胚胎中所处的位置有关，即该细胞将来会发育成什么样的组织。这背后的具体机制仍有待进一步阐明。

这项研究不仅对现有理论模型进行了补充，也为构建早期发育动物模型提供了新的思路。论文通讯作者之一、原昆明理工大学的陈凯教授表示，该杂交体系的优点在于巧妙地利用了远缘杂交同源基因序列的天然差异，便于检测转录产物来源，避免了生化标记物的污染问题。研究团队希望将这种方法应用于不同的动物体系中，更全面地了解合子基因组激活的分子机制和演化历程。

参考文献：

1.Wei, J., Zhang, W., Jiang, A.et al.  Nat Commun 15, 2395 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46780-0

Nature Communications

DOI:10.1038/s41467-024-46780-0

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Temporospatial hierarchy and allele-specific expression of zygotic genome activation revealed by distant interspecific urochordate hybrids

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