在小鼠早期胚胎发育过程中，受精作用触发了广泛的染色质重塑和全基因组DNA去甲基化，从而确保了合子基因组的转录激活（ZGA）。研究表明，ZGA发生在小鼠胚胎的2-细胞（2C）阶段，伴随着显著的表观遗传重编程，包括异染色质修饰、3-D染色质结构的改变和染色质开放程度的大幅增加。之前研究显示，Zscan4 (Zinc Finger And SCAN Domain Containing 4) 在Minor ZGA被迅速转录，能够激活2C胚胎中特有的内源性逆转录病毒（MERVLs）和2C样基因。此外，Zscan4在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中的2C样状态的细胞（2CLCs）中表现出间歇性激活，延长端粒、维持基因组稳定，提高iPSC形成效率和质量，也广泛用于指示2CLCs或全能样细胞。2CLCs在转录和表观遗传修饰水平接近2C 胚胎。然而，2CLCs激活过程中染色质开放的分子机制仍然不清楚。近日，南开大学生命科学学院和药物化学生物学全国重点实验室的刘林团队与龙加福团队、朱玉山团队、杨娜团队和昆明理工大学灵长类转化医学研究院牛昱宇团队合作在PNAS杂志上发表了题为Zscan4 mediates ubiquitination and degradation of the corepressor complex to promote chromatin accessibility in 2C-like cells的研究论文。该研究揭示了Zscan4 通过与 转录抑制因子Kap1、共抑制 因子Hdac1、Lsd1 以及H3K9 甲基转移酶 Suv39h1 和 Suv39h2 相互作用，形成短暂的异染色质复合体。随后，Zscan4依靠其锌指结构域招募泛素连接酶Trim25，从而促使 Hdac1 和 Lsd1 等辅助抑制因子组分的泛素化与降解。之前的研究主要从转录水平明确了 Zscan4 在早期胚胎中的表达时序。本研究进一步系统检测了 Zscan4 蛋白在小鼠2-细胞胚胎阶段（每 3-4 小时）的动态变化。结果显示，Zscan4 蛋白水平在2-细胞胚胎的早、中期（7-8小时）上升，12 小时达到峰值，并伴随 H3K9me3 异染色质修饰水平的下降，在卵裂成4-细胞前，Zscan4 蛋白降低至未能检测到。鉴于早期胚胎数量有限，研究人员在小鼠胚胎干细胞中构建了 Zscan4 启动子驱动红色荧光蛋白标记的ES细胞系，并通过活细胞成像技术观察到，随着 Zscan4 的动态变化，Hoechst 33342 标记的异染色质呈现相反的变化。这一现象暗示 Zscan4 可能调控异染色质状态的变化。通过 Zscan4 的 Co-IP/MS 鉴定结合 Co-IP/WB 验证，表明 Zscan4 与辅助或共抑制因子（Corepressors）Hdac1 和 Lsd1、转录抑制复合物成员之一 Kap1/Trim28 以及泛素连接酶Trim25 等存在相互作用。此外，Hdac1 和 Lsd1 的蛋白水平在 Zscan4⁺细胞中显著下调，但在加入蛋白酶体抑制剂 MG-132后，这种下调被抑制，表明 Hdac1 和 Lsd1 在 Zscan4⁺ 细胞中通过泛素-蛋白酶体途径降解。进一步实验显示，Zscan4 过表达可提高 Hdac1 和 Lsd1 的泛素化水平，而敲除 Trim25 则部分恢复了 Zscan4⁺ 细胞中 Hdac1 和 Lsd1 的蛋白水平。此外， Kap1 可抑制 Trim25 的泛素化功能，Kap1 和 Trim25 在 Zscan4 的锌指结构域上表现出竞争性结合。综上所述，随着Zscan4蛋白的表达，Zscan4 与 Hdac1、Lsd1 和 Kap1 等形成瞬时复合物，随后 Trim25 与Kap1竞争性结合 Zscan4，促使 Hdac1 和 Lsd1 的泛素化与降解，从而导致染色质开放并激活2-细胞样基因的表达。该工作揭示了Zscan4蛋白在2-细胞样细胞（2CLCs）中通过介导泛素化修饰降解辅助抑制因子、从而促进染色质开放的新功能及其作用机制，也可能是早期胚胎major ZGA染色质开放的重要机制之一。原南开大学博士后、现昆明理工大学灵长类转化医学研究院杨姣，昆明理工大学灵长类转化医学研究院但佳猛为论文共同第一作者；南开大学刘林、龙加福、朱玉山、杨娜以及昆明理工大学牛昱宇为共同通讯作者。原文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407490121
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