science：研究氨基揭示早期胚胎先鋒轉錄因子調控多能性程序的分子機制

　　清華大學生命學院頡偉研究組在《科學》（Science）期刊上以長文形式發表了題為“早期胚胎多種SOX2 -增強子互作模式調控多能性程序”（Multifaceted SOX2-chromatin interaction underpins pluripotency progression in early embryos）的研究論文，報道了多能性先鋒因子SOX2在哺乳動物早期胚胎多能性建立和轉換過程中的調控機制。這一研究發現早期胚胎中SOX2與染色質并非簡單通過先鋒因子模式打開染色質啟動基因表達，而是存在“Settler”，“Pioneer”和“Pilot”等多種與染色質互作模式。SOX2作為Pioneer主導建立的多能性調控網絡在晚期囊胚才會開始出現。在該時期之前，早期囊胚中存在一種介于全能性和多能性之間的細胞狀態，稱為Pre-pluripotency。在Pre-pluripotency狀態下，SOX2主要通過Settler binding而非主動打開染色質的方式介導基因表達，以完成與上游轉錄因子（NR5A2與TFAP2C）調控網絡銜接，最終建立胚胎發育中時空特異的轉錄因子調控網絡與細胞多能性狀態。

　　通過優化CUT&RUN技術，研究者首先捕獲了小鼠胚胎中多能性轉錄因子SOX2與染色質全基因組的結合位點，涵蓋了從胚胎發育第3.5天 (E3.5)到第7.5天（E7.5）多能性細胞出現的全進程。利用Sox2基因敲除胚胎和胚胎干細胞，研究者系統探究了SOX2在多能性建立與轉換過程中在對于基因表達和開啟染色質的作用。實驗結果顯示，SOX2在早期胚胎發育過程中與染色質的互作并非呈現簡單的先鋒因子模式，而是表現出多種模式，包括“Settler binding”、“Pioneer binding”和“Pilot binding”。在E3.5 ICM中，SOX2主要結合已開放增強子（“Settler binding”）并促進ICM基因表達。這些預先開放的增強子部分由早期表達的轉錄因子TFAP2C和NR5A2介導打開。其中NR5A2為頡偉實驗室近期鑒定的全能性胚胎核心調控因子(Lai et al., Cell Research, 2023)。同時，研究人員發現E3.5 ICM處于一個獨特的“前多能性”（Pre-pluripotency）狀態，介于全能性和多能性之間，在這個時期多能性調控網絡還處在原始時期，多能性先鋒因子尚未進入主導地位，但通過結合已開放染色質協助基因表達，以完成與上游發育程序的銜接。

　　隨后，多能性細胞在E4.5天進入處于原始態多能性上胚層 (na?ve epiblast)，以及在E5.5天進入形成態多能性的上胚層(formative epiblast)。此時，SOX2在染色質發生了兩次大規模的重新定位，打開沉默的染色質并啟動基因表達，幫助啟動na?ve pluripotency和formative pluripotency程序（“Pioneer binding”）。另外，SOX2也可以結合在尚未開放的增強子上，并為其在進入下一個階段的快速打開做準備（“Pilot binding”）。綜上所述，這項研究工作揭示了早期胚胎發育過程中多能性程序的調控機制和先鋒因子的工作機制，為更好地理解多能性和細胞命運的調控，以及體內體外多能性研究模型奠定了基礎。

　　早期胚胎發育中SOX2通過多種先鋒轉錄因子-增強子互作模式調控多能性程序

　　頡偉教授為本文的通訊作者，清華大學生命學院李麗佳博士（已畢業）、賴方秾博士（已畢業）、2019級博士生胡曉瑜以及博士后劉伯峰為共同第一作者。該課題得到了清華大學實驗動物中心，生物醫學測試中心基因測序平臺以及計算平臺的大力協助和支持。劉伯峰獲得了清華大學水木學者計劃支持，本研究獲得了國家自然科學基金會、國家科技部重點研發計劃、清華-北大生命科學中心的經費支持。頡偉教授是HHMI國際研究學者和新基石研究員。