新数据显示细胞大小激发胚胎基因组觉醒

过渡是生活的标志。当休眠的植物在春天开花或当一个年轻的成年人自己罢工时，控制权就会发生变化。类似地，在胚胎经历生化变化，从母体分子控制转变为由其自身基因组控制的早期发育过程中存在转变。宾夕法尼亚大学佩雷​​尔曼医学院的一个研究小组首次在胚胎中发现，其基因组的激活不会同时发生，而是遵循一种主要由其各种大小的细胞控制的特定模式。

研究人员本周将他们的结果作为发展细胞的封面故事发表。

在经历细胞分裂的早期胚胎中，母系负载的RNA和蛋白质调节细胞周期。受精卵的基因组 - 受精卵的一个术语 - 最初处于睡眠模式。然而，在胚胎早期的某个时刻，这些合子核“唤醒”并从其基因组中表达，对随后的胚胎发育进行生化控制。但胚胎如何“识别”何时进行这种转变仍然未知。

“如何将胚胎'交由'控制从母体到受精卵的发育是发育生物学中的一个基本问题，”资深作者Matthew C. Good博士说，他是细胞与发育生物学和生物工程学的助理教授。“以前没有人意识到脊椎动物胚胎的不同区域可以在不同时间进行基因组激活，或者直接细胞大小如何调节受精卵基因组的觉醒。”

在过去的40年里，人们提出了不同的假设来解释胚胎如何识别何时开启受精卵中单个细胞的新基因组，但是Penn团队确定了该机制并回答了这个关键问题。

利用来自非洲爪蛙(非洲爪蟾)的胚胎的单细胞成像，他们发现细胞大小是控制受精卵中基因组激活开始的关键参数。细胞必须达到阈值大小才能启动其自身蛋白质的大规模转录。通过生成微型胚胎，该团队证明细胞大小的变化控制着基因组激活的时间。

这项研究的结果对于胚胎早期如何发育以及一般发育生物学领域的基本理解有许多重要意义。宾夕法尼亚大学的研究小组认为，这一发现可能会影响其他研究者如何接近自己的基因组激活研究和筛选控制早期胚胎发育保真度所必需的母体因子。

“要获得新的见解，合子转录应该在单细胞水平上进行测量，”第一作者，陈氏博士说，他是Good实验室的博士后研究员。“这种方法帮助我们不要忽视胚胎细胞空间组织对母体 - 合子转变的影响。”

启动受精卵基因组的“决定”是在个体细胞水平上进行的，而不是整个胚胎，这改变了宾大团队对发育过程的看法。“进化已经选择细胞大小作为控制胚胎发育关键转变的调节机制，这种范式可能扩展到细胞大小不同的其他生物学领域，”Good说。他和陈计划通过测量斑马鱼和老鼠的基因组激活来继续这项工作，看看这种新观点是否适用于其他物种。

这项工作部分得到了Burroughs Wellcome基金会，Charles E. Kaufman基金会，March of Dimes和国家普通医学科学研究所(R35GM12874)的支持。

本文的Penn合着者包括Shawn C. Little博士，细胞与发育生物学助理教授。

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