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作為卵生動物，魚類早期胚胎發育過程中產生一類從卵裂期到幼苗期暫時存在的胚外組織（extraembryonic tissue），如卵黃合胞體層（yolk syncytial layer，YSL），其對于中內胚層的形成和外包運動至關重要。然而，胚外組織的發育命運是如何被調控的，以及胚外組織中是否存在獨立于胚胎組織的合子基因激活（zygotic genome activation，ZGA）程序，尚未可知。
近年來，國際上多個團隊利用斑馬魚模型開展研究，發現母源因子Nanog在早期胚胎發育和合子基因激活過程中扮演至關重要的角色。如耶魯大學Giraldez團隊發現Nanog可以與Pou5f3、Sox19b等先鋒因子互作，促進胚胎細胞ZGA的啟動（Lee et al.,Nature 2013;Miao et al.,Mol Cell 2022），哈佛兒童醫院Zon團隊發現Nanog可以通過激活mxtx2-Nodal軸促進中內胚層發育（Xu et al.,Dev Cell 2012），哈佛大學/瑞士巴塞爾大學Schier團隊的研究則顯示Nanog的功能主要表現于調控胚外組織的發育（Gagnon et al.,Development 2018）。然而，Nanog是如何調控胚外組織發育，以及如何協調統一Nanog調控胚胎組織和胚外組織發育的關系，其背后的機制不明。
9月10日，中國科學院水生生物研究所孫永華團隊在Science Bulletin（IF=21.1）發表題為An oocyte and yolk syncytial layer-derived Nanog-cyp11a1-pregnenolone axis promotes extraembryonic development的研究論文，揭示了一個存在于卵子發生和早期胚胎胚外組織中的“Nanog–cyp11a1–孕烯醇酮（Pregnenolone,P5）軸”，這一調控軸完美解釋了Nanog促進早期胚胎胚外組織發育，以及協調胚胎組織和胚外組織發育的作用機制。
研究團隊在前期研究中，通過構建Nanog的功能缺失突變體（He et al.,Mutation Res,2014），發現在卵子發生過程中，Nanog作為轉錄抑制子抑制翻譯延伸因子eef1a1l2的轉錄，從而在全局水平上對卵子發生過程進行翻譯控制，促進卵子發生和早期胚胎的發育（He & Jiao et al.，Development 2022）；在胚胎發育早期，母源Nanog與TCF因子結合抑制母源β-catenin信號的全局性激活，從而保護早期胚胎正常背腹軸形成（He et al.，PLOS Biology 2020）。
在最新發表的這篇論文中，研究團隊發現膽固醇側鏈裂解酶編碼基因cyp11a1在nanog突變體的卵子和早期胚胎中的轉錄水平急劇下調，有趣的是，簡單過表達cyp11a1即可有效拯救nanog突變體胚胎發育的外包異常、致死性發育缺陷和膽固醇異常累積（圖1）。
圖1 過表達膽固醇側鏈裂解酶編碼基因cyp11a1拯救MZnanog發育缺陷
進一步研究發現，在卵子發生和早期胚胎胚外組織中均存在一個Nanog–cyp11a1–P5軸。在卵子發生階段，Nanog激活膽固醇側鏈裂解酶編碼基因cyp11a1的轉錄，促進卵子中膽固醇向P5的轉換、微管組裝、卵子成熟和卵子質量，進而促進早期受精胚卵黃胞質層（yolk cytoplasmic layer，YCL）中微管的組裝和母源物質向動物極的運輸（圖2）。
圖2 Nanog通過Cyp11a1-P5軸調控微管組裝和母源物質運輸
為了研究Nanog是如何調控早期胚胎YSL中的合子基因激活（ZGA）程序，進一步構建Nanog、Pou5f3和Sox19b等3個先鋒因子編碼基因的敲入品系，用于示蹤3個先鋒因子在早期胚胎發育過程中的動態變化。結果發現，Nanog持續激活YSL核中cyp11a1的轉錄和P5的合成，從而促進胚外組織中的微管組裝、胚胎外包運動，以及Nanog、Pou5f3和Sox19b等先鋒因子向YSL核內的運輸和聚集（圖3），因此有效激活了YSL細胞中依賴于Nanog-cyp11a1-P5軸的ZGA和功能性YSL形成，并誘導中內胚層的發育。
圖3 Nanog–Cyp11a1– P5軸調控先鋒因子NPS向YSL核內聚集
研究還發現，斑馬魚cyp11a1母源合子突變體（MZcyp11a1）中存在典型的遺傳補償效應：其旁系同源基因cyp11a2在突變體卵母細胞和YSL中上調表達，可完美替代cyp11a1催化P5合成從而維持胚外組織正常發育，導致MZcyp11a1并不會出現早期發育的缺陷。
總之，該研究從膽固醇代謝、微管組裝、細胞骨架、物質運輸等層面，揭示了Nanog在調控胚胎細胞命運決定和胚外組織YSL及YCL結構與功能的協調統一性，發現了胚外組織YSL中存在獨立于胚胎組織的ZGA程序，同時這一研究為膽固醇代謝影響魚類卵子質量的作用機制提供了全新的認識（圖4）。
圖4 Nanog-Cyp11a1-P5軸指導胚外組織發育的分子機制
水生所孫永華研究員為該論文通訊作者，張茹助理研究員為第一作者，已經畢業的焦圣博博士為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金青年科學基金A類、C類、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院特別研究助理項目等資助。文中構建的基因敲除及基因敲入品系均已保藏至國家水生生物種質資源庫國家斑馬魚資源中心，并對學術界開放提供。
原文鏈接：An oocyte and yolk syncytial layer-derived Nanog-cyp11a1-pregnenolone axis promotes extraembryonic development - ScienceDirect
相關文獻：
[1]?? Lee MT, Bonneau AR, Takacs CM, et al. Nanog, Pou5f1 and SoxB1 activate zygotic gene expression during the maternal-to-zygotic transition. Nature 2013;503:360–364
[2]?? Miao L, Tang Y, Bonneau AR, et al. The landscape of pioneer factor activity reveals the mechanisms of chromatin reprogramming and genome activation. Mol Cell 2022;82:986–1002
[3]?? Xu C, Fan ZP, Muller P, et al. Nanog-like regulates endoderm formation through the Mxtx2-Nodal pathway. Dev Cell 2012;22:625–638
[4]?? Gagnon JA, Obbad K, Schier AF. The primary role of zebrafish nanog is in extra-embryonic tissue. Development 2018;145:dev147793
[5]?? He M, Jiao S, Zhang R, et al. Translational control by maternal Nanog promotes oogenesis and early embryonic development. Development 2022;149:dev201213
[6]?? He M, Zhang R, Jiao S, et al. Nanog safeguards early embryogenesis against global activation of maternal beta-catenin activity by interfering with TCF factors. PLOS Biol 2020;18:e3000561