清华大学生命学院颉伟团队合作揭示去泛素化酶USP17L调控小鼠2-细胞程序的作用及机制
2025/09/06
210合子基因组激活（Zygotic genome activation, ZGA）是生命起始后的第一个转录事件，是胚胎程序启动和母源向合子转变的重要驱动力。ZGA异常会导致胚胎发育缺陷甚至停滞。哺乳动物包括两轮ZGA：次要（minor）ZGA和主要（major）ZGA。在小鼠中，次要ZGA发生于1-细胞晚期到2-细胞早期，对主要ZGA的启动和胚胎发育至关重要。在胚胎干细胞中，有一群极低比例（1-5%）的细胞部分具有与2-细胞胚胎类似的染色质开放状态和基因调控网络，并表达部分次要ZGA基因，这些细胞被称为2-细胞样细胞（2-cell like cells，2CLCs）。截至目前，人们对于次要ZGA基因在胚胎和2-细胞样细胞中的功能，以及其调控2-细胞程序的机制还不完全了解。
8月1日，清华大学生命科学学院颉伟教授课题组与南开大学生命科学学院刘林教授课题组合作，在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“USP17L通过去除H2AK119ub1和ZSCAN4的泛素化促进2-细胞程序”（USP17L promotes the 2-cell-like program through deubiquitination of H2AK119ub1 and ZSCAN4）的研究论文。该研究揭示了去泛素化酶USP17L（由一个次要ZGA基因家族编码）在转录和翻译后水平调控Dux和ZSCAN4，进而通过Dux调控其他2C基因与小鼠胚胎干细胞的2-细胞样状态。
在小鼠胚胎干细胞中，Usp17l敲低或过表达可以显著抑制或促进2C基因的转录。而在Usp17l过表达的细胞中敲低Dux时，原本上调的2C基因呈现部分下调趋势，表明Usp17l对2C基因的激活可能通过Dux依赖和非依赖的途径来实现。进一步研究发现，Dux基因位点富集抑制性组蛋白修饰H2AK119ub1。作为去泛素化酶，USP17L（主要是USP17LE）可以降低H2AK119ub1在Dux上的富集，进而激活Dux及下游2C基因的表达。有意思的是，已有研究表明Usp17l也是DUX的靶基因，因此DUX和USP17L之间的相互调节可能构成一个正反馈回路，有助于快速诱导2C基因的表达。另外，研究团队还发现USP17L的过表达提高了ZSCAN4蛋白的水平，并且胚胎干细胞中Zscan4+细胞（2-细胞样细胞）比例也有所增加。进一步机制研究表明，USP17LE可通过直接结合ZSCAN4，去除ZSCAN4上的泛素化修饰进而抑制其被蛋白酶体降解。
研究团队进一步探讨了Usp17l在小鼠胚胎中的功能，发现小鼠着床前胚胎发育阶段，H2AK119ub1在Dux上的富集与Dux的表达呈现明显的负相关：卵母细胞中H2AK119ub1在Dux上的富集程度较高，在Dux被激活的1-细胞和2-细胞早期（次要ZGA时期）阶段富集程度降低，从2-细胞晚期到囊胚时期富集程度增加并保持在较高水平。在受精卵中过表达USP17L会降低整体和Dux位点的H2AK119ub1水平，从而造成Dux和2C基因的过度激活和着床前胚胎发育缺陷。
USP17L在转录和翻译后水平调控2-细胞程序
综上所述，该研究首次揭示了USP17L通过去泛素化H2AK119ub1激活Dux、2C基因和逆转录转座子的表达，通过去泛素化ZSCAN4以稳定ZSCAN4，从而在转录和翻译后水平促进和稳定2-细胞程序的新机制。该研究为合子基因组激活、2C程序调控及细胞全能性研究提供了重要启示和参考。
清华大学生命科学学院教授颉伟和南开大学生命科学学院教授刘林为论文共同通讯作者，南开大学石盼盼博士和山东大学妇儿与生殖健康研究院卢绪坤博士（曾为颉伟教授课题组博士后）为论文共同第一作者。南开大学2022级博士生金开让、刘林林博士、2021级博士生尹国兴、杨姣博士，清华大学科研助理王文英、2023级博士生王利娟、科研助理董丽君在该课题中作出重要贡献。
研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、细胞生态海河实验室创新研发项目、清华-北京生命科学中心、新基石基金的经费支持。同时也得到了清华大学实验动物中心、生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台的大力协助和支持。
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