揭示小鼠胚胎的發育時鐘和從頭細胞極化機制

在植入前發育的過程中，頂-底細胞極性（apicobasal cell polarity）的建立是從全能性向多能性過渡的關鍵，從而誘導細胞向滋養外胚層（trophectoderm）分化。在小鼠胚胎中，這一事件被設定在8個細胞階段發生，這一時間遵循一種內在的發育時鐘，與胚胎大小或細胞周期進展無關。盡管頂端區域（apical domain）的形成非常重要，但在小鼠和人類胚胎中，建立細胞極化和對這一事件進行時間調控的分子機制在很大程度上仍然是未知的。

在不同的哺乳動物物種中，合子基因組激活（zygotic genome activation, ZGA）在進化上保守地發生在細胞極化建立之前。因此，在一項新的研究中，來自英國劍橋大學、美國加州理工學院和中國清華大學的研究人員假設合子轉錄調控細胞極化的時間。

為了驗證這一點，這些作者使用了分析方法來改變合子轉錄本在細胞中的濃度，并評估這些變化對胚胎極化時間的影響。他們還對124種合子表達的轉錄本進行了RNA干擾（RNAi）篩選，以確定對細胞極化至關重要的合子轉錄本的分子身份。后，他們結合前沿的成像方法與生物物理建模，以解釋他們鑒定出的合子轉錄本如何調節細胞極化的從頭建立。
 

頂端區域形成的分子機制和時間調控，圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.abd2703。

小鼠胚胎中細胞極性的特點是出現一個帽形的頂端區域。與這些作者提出的假說相一致的是，合子轉錄本的增加或減少分別加速或抑制頂端區域的形成。他們的RNAi篩選發現了兩種轉錄因子--轉錄因子AP-2γ（Tfap2c）和TEA結構域轉錄因子4（Tead4），這兩個轉錄因子在調控細胞極化時間方面起著冗余的作用。

Tfap2c和Tead4蛋白都在ZGA后積累，它們的表達升高使得極性蛋白在四細胞階段過早地錨定到頂端表面。然而，這些頂端蛋白未能組裝成擴大的頂端區域，而是變得超中心化，形成膜突起。這表明，頂端區域的形成需要一個額外的條件。這些作者之前已經描述了Rho鳥苷三磷酸酶（GTPase）信號，它調節肌動蛋白的頂端定位，并在八細胞階段左右被激活，對細胞極性的建立非常重要。

在這項新的研究中，這些作者發現Rho GTPase的過早激活與Tfap2c和Tead4的表達，過早地誘導出完整的頂端區域，從而導致滋養外胚層轉錄因子的過早表達，并導致細胞極化下游的形態發生事件。

通過結合定量成像測量和數學建模，這些作者發現，頂端區域的形成是由兩個關鍵過程之間的動態相互作用驅動的：（i）蛋白ezrin通過肌動蛋白網絡的合作招募和（ii）蛋白ezrin在膜上的側向移動性。在這些相互作用的實驗證據和生物物理模擬的基礎上，他們證實Tfap2c和Tead4控制ezrin的合作招募，而RhoA促進膜流動性。

細胞極化的時間和機制在很大程度上仍然未知。這些作者如今鑒定出小鼠胚胎中細胞極化的從頭建立所必需的分子。這些研究結果表明，ZGA在調節細胞極化的時間方面發揮了直接作用。除了鑒定出足以建立細胞極化的關鍵分子外，他們還從生物物理學角度了解了這些分子在哺乳動物胚胎中建立細胞極化的機制