Sự biểu hiện gen và cấu trúc nhiễm sắc chất trong quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Sự biểu hiện gen và cấu trúc nhiễm sắc chất trong quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử" sẽ cung cấp các thông tin tổng hợp nhất về sự phát triển giai đoạn phôi sớm với sự phân cắt và kích hoạt hoạt động của bộ gen hợp tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sự biểu hiện gen và cấu trúc nhiễm sắc chất trong quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử

SỰ BIỂU HIỆN GEN VÀ CẤU TRÚC NHIỄM SẮC CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH KÍCH HOẠT BỘ GEN HỢP TỬ Hoàng Thành Chí1 1. Khoa Y Dược, Trường Đại học Thủ Dầu Một, liên hệ email: chiht@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Sự kích hoạt bộ gen hợp tử là một quá trình phức tạp và được kiểm soát nghiêm ngặt. Cho đến nay cơ chế hoạt hoá bộ gen hợp tử vẫn còn nhiều khía cạnh mà các nhà khoa học vẫn còn phải tiến hành tìm hiểu. Nhìn chung trong giai đoạn phát triển sớm, phôi trải qua hai lần điều hoà vật chất di truyền chính gồm điều hoà các yếu tố phân tử từ trứng của mẹ, và giai đoạn kích hoạt bộ gen hợp tử mới hình thành. Các đặc điểm điển hình của giai đoạn này bao gồm sự tái cấu trúc chu kì tế bào, sự mất cân bằng tỷ lệ nhân và tế bào chất, các chỉ dấu biểu sinh đặc hiệu. Sự hiểu biết về quá trình này có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực y học tái tạo và các vấn đề nghiên cứu liên quan. Bài tổng hợp cung cấp những thông tin chung về quá trình điều hoà di truyền giai đoạn phôi sớm. Từ khóa: Kích hoạt bộ gen hợp tử, hợp tử, phôi, điều hoà biểu hiện gen 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ở động vật có vú, sự kết hợp giữa giao tử đực và giao tử cái là bắt nguồn cho sự hình thành một cá thể mới với dạng sống đầu tiên là hợp tử (Messinis và nnk, 2016). Hợp tử sẽ bắt cầu phân cắt mạnh và phân chia thành các nhóm tế bào đa chức năng, cấu trúc này gọi là phôi (Buzollo và nnk, 2010). Quan sát trên các loài động vật khác nhau, các nhà khoa học nhận thấy sự giống nhau giữa các cá thể trong quá trình hình thành và phát triển phôi, sự khác biệt giữa các loài được bắt đầu ghi nhận trong giai đoạn hình thành các cơ quan và sự phát triển con non (Minelli, 2011; Suwińska và nnk, 2019). Quá trình này có thể chia thành các giai đoạn chính: giai đoạn phân cắt hợp tử, giai đoạn phôi vị hoá và giai đoạn hình thành các cơ quan (Suwińska và Ajduk, 2019). Trong đó quá trình phân cắt hợp tử đóng vai trò bắt nguồn cho mọi hoạt động sống của phôi khi cho phép thống nhất bộ gen và tổng hợp lần đầu cho các sản phẩm nội bào (Schulz và nnk, 2019). Những bất thường trong việc phân cắt hợp tử dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng thường là gây chết phôi (Burruel và nnk, 2014). Quá trình kiểm soát phân tử trong giai đoạn này là rất phức tạp và phụ thuộc chính vào các yếu tố điều hoà biểu hiện có sẵn trong phôi khi bộ gen của phôi chưa được kích hoạt (Burruel và nnk, 2014). Việc nắm bắt được cụ thể con đường tín hiệu trong phôi tiền làm tổ thì có ý nghĩa quan trọng trong khoa học và y học tái tạo. Tuy vậy, sự phức tạp và chính xác trong lập trình của phôi đã tạo ra nhiều rào cản, thách thức các nhà khoa học trong quá trình tìm hiểu chúng. Bài tổng hợp này sẽ cung cấp các thông tin tổng hợp nhất về sự phát triển giai đoạn phôi sớm với sự phân cắt và kích hoạt hoạt động của bộ gen hợp tử. 2. HỆ THỐNG PROTEIN VÀ MRNA TRONG TẾ BÀO CHẤT PHÔI Trong quá trình phân cắt phôi bào ban đầu, bên cạnh việc cung cấp vật liệu di truyền là giao tử đơn bội, tế bào trứng còn cung cấp nhiều thành phần then chốt khác trong quá trình hình thành và phát triển của hợp tử thành phôi, các thành phần này bao gồm các mRNA và các 49
protein có chức năng liên quan (K. Chen và nnk, 2024). Quá trình chuyển đổi vật liệu di truyền từ mẹ sang hợp tử (maternal-to-zygotic transition – MZT) đặc trưng bởi nhiều yếu tố nhưng có thể chia thành hai vai trò chính: vai trò thứ nhất là điều hòa, dịch mã hệ mRNA từ tế bào trứng và biến đổi các sản phẩm sau dịch mã; vai trò thứ hai được xem xét là quá trình kích hoạt bộ gen của hợp tử (Tadros và nnk, 2009). Hình 1. Trong giai đoạn phân cắt hợp tử sớm, thể tích phôi hầu như không thay đổi, chỉ tăng số lượng tế bào Trên thực tế các mRNA mã hóa cho hầu hết các loại protein trong tế bào đều xuất hiện trong trứng, số lượng các RNA này còn dao động tùy loài, tuy nhiên hầu hết chúng sẽ được bất hoạt và chỉ để lại một số mRNA hoạt động cụ thể (Vastenhouw và nnk, 2019). Có nhiều phương thức tham gia vào quá trình điều hòa này bao gồm sử dụng RNA Binding Protein (RBPs), miRNA, các dấu ấn di truyền biểu sinh và sự tối ưu hóa codon dịch mã (Vastenhouw và nnk, 2019). Các RBPs tham gia điều hòa bằng cách bám ức chế hoặc hoạt hóa sự hoạt động của mRNA. Điển hình là sự bám của protein YBX1 lên nhiều loại mRNA khác nhau (bao gồm cả mRNA của p53 và PCNA – tiểu phần peptide giúp giữ DNA polymerase δ lên trên mạch DNA) gây ức chế dịch mã từ đó điều hòa lượng protein được tạo ra để đảm bảo biệt hóa hợp tử được diễn ra bình thường (Homer và nnk, 2005). Bên cạnh chức năng gây ức chế thì một số RBPs cũng tham gia vào quá trình hoạt hóa tổng hợp protein như MSY2 giúp ổn định sự tồn tại của mRNA trong quá trình phân cắt của hợp tử ở chuột (Vastenhouw và nnk, 2019). Các miRNA tham gia như một chỉ dấu nhận biết cho tế bào nhằm phân cắt các mRNA không cần thiết trong giai đoạn đầu của hợp tử (Liang và nnk, 2017). mRNA trong tế bào Eukaryote được đặc trưng bởi đuôi PolyA đầu 3’OH và mũ chụp 5’P nhằm bảo vệ mRNA khỏi các tác nhân phân hủy (Niedzwiecka và nnk, 2004). Trong điều kiện bình thường, đa số các mRNA tồn tại ở dạng mạch đơn và đôi khi có các cấu trúc thứ cấp, tuy nhiên sự liên kết với miRNA tạo thành cấu trúc mạch đôi là một chỉ dấu đặc hiệu cho tế bào nhận biết và phân cắt các mRNA này (Ying và nnk, 2008). Trong giai đoạn phát triển sớm của hợp tử ếch, hàng loại các nhân tố miR-427 được phát hiện và đóng vai trò điều hoà quan trọng trong giai đoạn này (Lund và nnk, 2009). Một số nghiên cứu gần đây cũng cho thấy tRNA cũng là thành phần có vai trò điều hoà trong suốt quá trình phân cắt hợp tử (X. Chen và nnk, 2020). Nhiệm vụ nổi bật của tRNA thường được biết đến là vận chuyển các amino acid trong quá trình dịch mã, tuy nhiên các nhà khoa học cũng phát hiện các đoạn RNA nhỏ có nguồn gốc từ tRNA (gọi là tsRNA) tham gia tích cực trong quá trình điều hoà biểu hiện gen và retrotransposon trong gia đọan phôi sớm ở lợn (X. Chen và nnk, 2020). Ngoài ra các yếu tố tham gia vào việc thiết lập các dấu ấn di truyền biểu sinh như methyl hoá, acetyl hoá cũng đóng vai trò tích cực trong quá trình phân cắt hợp tử (Vastenhouw và nnk, 2019). Nhìn chung đây là giai đoạn được kiểm soát nghiêm ngặt với các yếu tố cần thiết được chuẩn bị đầy đủ trong tế bào chất trứng mẹ, các thành phần này sẽ được điều hoà về số lượng và chức năng sau khi sự thụ tinh được diễn ra nhằm đảm bảo quá trình kích hoạt bộ gen mới hình thành diễn ra thuận lợi (Vastenhouw và nnk, 2019). 50
Hình 2. miRNA tham gia điều hoà biểu hiện protein bằng cách liên kết hoàn toàn hoặc một phần lên mRNA đích Khi nghiên cứu sự mã hóa protein của hợp tử trong quá trình phát triển thành phôi người ta thấy có sự chia đợt mã hóa rõ rệt (Vastenhouw và nnk, 2019). Giai đoạn 1 là sự giảm biểu hiện của hàng loạt các mRNA không cần thiết đã được đề cập bên trên trong khi các mRNA cần thiết từ tế bào trứng vẫn được giữ lại, các mRNA này liên quan nhiều đến sự ổn định cấu trúc gen, biểu hiện protein và kéo dài chu trình tế bào, tuy nhiên các nhóm gen này cũng nhanh chóng giảm biểu hiện và bị phân hủy trong giai đoạn thứ 2 (Fu và nnk, 2019; Gao và nnk, 2017). Giai đoạn 3 ghi nhận sự tăng mạnh của hoạt động mã hóa từ genome của phôi (Fu và nnk, 2019). 3. SỰ KÍCH HOẠT BỘ GEN CỦA HỢP TỬ Quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử (Zygotic genome activation – ZGA hay Embryo genome activation - EGA) là sự kết hợp chặt chẽ nhiều yếu tố nhằm kích thích quá trình phiên mã bộ gen vừa kết hợp của hợp tử (Schulz và Harrison, 2019). Quá trình này bao gồm các sự kiện chính: sự thay đổi chu kỳ tế bào, tỉ lệ nhân – tế bào chất và sự thay đổi trong cấu trúc nhiễm sắc thể (Yuan và nnk, 2023). Một đặc điểm dễ nhận thấy trong giai đoạn này là sự phiên mã diễn ra ồ ạt cho các thành phần của tế bào ngay sau giai đoạn suy thoái phiên mã mRNA cung cấp từ trứng mẹ đã đề cập bên trên (Schulz và Harrison, 2019). Độ dài chu trình tế bào được các nhà khoa học tin rằng là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng lên quá trình phiên mã mRNA trong các giai đoạn đầu tiên của hợp tử (M. Zhang và nnk, 2017). Các nghiên cứu thực tế cho thấy các đoạn mRNA được tổng hợp trong quá trình này phổ biến là các đoạn gen không chứa intron hoặc các đoạn gen có kích thước rất ngắn (Vastenhouw và nnk, 2019). Ở các loài cá, côn trùng, lưỡng cư thì quá trình phân cắt hợp tử diễn ra nhanh chóng gây cản trở sự phiên mã diễn ra, chiều dài và số lượng của các mRNA cũng bị quy định phụ thuộc vào chu kì tế bào (Vastenhouw và nnk, 2019). Song vẫn có nhiều dẫn chứng cho thấy rằng độ dài của chu trình tế bào cũng phụ thuộc và việc mã hóa genome của hợp tử do đó sự quy định lẫn nhau giữa hai yếu tố này vẫn còn cần phải được nghiên cứu thêm (Vastenhouw và nnk, 2019). Trong giai đoạn đầu này sự chuẩn bị của tế bào chất từ trứng đóng vai trò quan trọng trong đó bao gồm một lượng lớn protein histone (Ibarra-Morales và nnk, 2021a; Vastenhouw và nnk, 2019). Histone có ái lực cao và đặc hiệu lên DNA trong việc cuộn xoắn tạo cấu trúc nucleosome, nên nồng độ histone quá cao là rào cản lớn cho quá trình phiên mã được diễn ra (Sokolova và nnk, 2023). Trong giai đoạn này việc phân cắt phôi diễn ra mạnh mẽ, cùng với sự tăng lên của số lần phân bào nồng độ histone trong tế bào chất càng giảm (Vastenhouw và nnk, 2019). Đến một giai đoạn nào đó nồng độ histone không còn đủ lớn để gây cản trở, sự phiên mã được diễn ra (Vastenhouw và nnk, 2019). Để phiên mã được diễn ra thì các thành phần tham gia cần phải tiếp xúc được với DNA, nhờ vào sự khử toàn bộ gốc methyl trên bộ gen kết hợp với sự giảm nồng độ histone cùng nhiều yếu tố khác là tiền đề cho quá trình mã hóa bộ gen phôi diễn ra (Tadros và Lipshitz, 2009). 51
4. QUÁ TRÌNH KÉO DÀI VÀ THIẾT LẬP CÁC GIAI ĐOẠN CỦA CHU KÌ TẾ BÀO Động vật có xương sống có thể chia thành hai nhóm chính gồm nhóm đẻ trứng và các động vật đẻ con. Phôi của động vật đẻ trứng cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của con non đến khi con non có khả năng tự nhận thức ăn từ bên ngoài, các phôi này có chu kỳ phân chia hợp tử ngắn và phát triển nhanh chóng, trong khi phôi của động vật đẻ con thì ngược lại (Jukam và nnk, 2017). Ở các phôi phát triển nhanh, chu kì tế bào thường diễn ra ngắn nhằm mục tiêu nhân nhanh số lượng tế bào trước khi hình thành phôi vị, và điều này gây cản trở lớn cho quá trình phiên mã diễn ra (Farrell và nnk, 2014). Sự phân bào hoàn toàn được thúc đẩy và diễn ra nhờ các thành phần đã được có sẵn trong tế bào chất trứng mẹ (Vastenhouw và nnk, 2019). Chu kì tế bào trong giai đoạn này thiếu hụt hai pha G1 và G2, chỉ tồn tại pha M và S, sự tổng hợp các thành phần tế bào không được diễn ra (Kermi và nnk, 2019). Sự xuất hiện của pha G1, G2 được ghi nhận sau một số lần phân bào nhất định (Kermi và nnk, 2019). Sự kéo dài pha S và xuất hiện hai pha G1, G2 được ghi nhận từ chu kì phân bào lần thứ 10 ở cá ngựa vằn, chu kì thứ 12 ở lưỡng cư (Ikegami và nnk, 1999; Iwao và nnk, 2005). Theo các nghiên cứu thì sự biểu hiện gen trong phôi đã diễn ra trước khi có sự kéo dài pha S, tuy nhiên khi pha S được kéo dài thì mới có sự bùng nổ phiên mã của bộ gen (Jukam và nnk, 2017). Các gen biểu hiện sớm thường là các miRNA tham gia vào quá trình ức chế RNA tồn đọng của trứng mẹ, các gen mã hoá thành phần dịch mã, các gen mã hoá cho yếu tố liên kết và điều hoà phiên mã khác (Jukam và nnk, 2017). Hình 3. Chu kì tế bào thay đổi trong quá trình phát triển phôi sớm tạo điều kiện cho quá trình kích hoạt bộ gen hợp tử diễn ra Ở các phôi phát triển chậm (đặc trưng ở động vật có vú) thì sự phát triển phôi chia thành hai giai đoạn trước và sau phôi vị (Kermi và nnk, 2019). Tương tự các phôi phát triển nhanh thì trong giai đoạn ban đầu sự tăng sinh, sự tăng lên về số lượng tế bào không đi kèm với sự tăng lên về thể tích hay kích thước của phôi (Jukam và nnk, 2017). Ở các phôi phát triển chậm thì chu kì phân bào diễn ra chậm hơn nhiều so với các phôi phát triển nhanh, chu kì phân bào đầu tiên của phôi ở động vật có vú là 18 – 36 giờ và sau đó phân chia sau mỗi 12 – 24 giờ đến khi hình thành phôi nang (Vastenhouw và nnk, 2019). Các nghiên cứu trên chuột cho thấy các gen được biểu hiện cụ thể ở từng giai đoạn phôi thai, sau khi thụ tinh thì giao tử của chuột đực và chuột cái vẫn ghi nhận tồn tại độc lập ở các khoang riêng biệt gọi là pronuclei và hợp nhất 20 giờ sau đó (Jukam và nnk, 2017). Các gen mã hóa đầu tiên được ghi nhận là ở pha G2 trong pronuclei của giao tử đực và tận đến chu kì phân bào thứ 3 thì quá trình dịch mã mới diễn ra một lần nữa (Vastenhouw và nnk, 2019). Ở người quan sát thấy không có quá nhiều sự biểu hiện gen ở hai giai đoạn phân bào đầu tiên (giai đoạn hợp tử và giai đoạn 2 tế bào) mà chỉ là các điều chỉnh, điều hòa các sản phẩm từ trứng của mẹ (Jukam và nnk, 2017). Quá trình ZGA diễn ra mạnh mẽ sau lần phân chia thứ 3 với khoảng 2500 gen được mã hóa và sau đó là khoảng 2500 gen tiếp theo sau chu kỳ phân chia thứ 4 (Jukam và nnk, 2017). 52
5. MẤT CÂN BẰNG TỶ LỆ NHÂN SO VỚI TẾ BÀO CHẤT Như các đề cập bên trên, trong các giai đoạn phôi sớm, hầu như sự phân cắt diễn ra không đồng thời với sự tăng trưởng về kích thước (Jukam và nnk, 2017). Điều này đồng nghĩa với việc sẽ có càng nhiều tế bào cùng chia sẻ lượng tế bào chất ban đầu trong khi tỉ lệ DNA được tổng hợp ra là tăng theo hàm mũ hai. Nhiều mô hình đã chứng minh tỷ lệ nhân: tế bào chất (Nuclear/Cytoplasmic Ratio – N:C) là một động lực quan trọng kích thích việc hoạt hóa bộ gen phôi trông qua việc điều chỉnh hệ checkpoint của chu kì tế bào, quá trình này kích thích thông qua con đường truyền tín hiệu của ATR/CHK1 (Olivetta và nnk, 2023; Syed và nnk, 2021). Hầu như tất cả các thành phần cần thiết cho việc kiểm soát chu trình tế bào đều có sẵn trong phôi, tuy nhiên do nhiều lý do như bị chất ức chế, thiếu động lực kích thích mà vẫn không hoạt động trong các giai đoạn phôi sớm (Yuan và nnk, 2023). Các nghiên cứu trên phôi ếch bằng sự bổ sung lượng lớn các oligo, plasmid với nhiều mức độ khác nhau gây ra các đáp ứng trong sự kích hoạt hoạt động của ATR (Pogoriler và nnk, 2004). Từ đó cho thấy rằng sự tăng lên của tỷ lệ N:C tạo áp lực phù hợp cho việc kích hoạt các yếu tố kiểm soát chu trình tế bào (Pogoriler và Du, 2004; Yuan và nnk, 2023). Tín hiệu tăng quá mức tỉ lệ DNA tác động tương tự như xuất hiện các sai hỏng DNA trong tế bào, từ đó kích thích ATR kinase kích hoạt hoạt động của CHK1 (Checkpoint kinase 1) bằng cách phosphoryl hóa chúng (Pogoriler và Du, 2004). CHK1 hoạt hóa sẽ tiến hành thực hiện nhiều chức năng hoạt hóa khác nhau trong đó có sự phosphoryl hóa p53 (Ou và nnk, 2005). p53 được hoạt hoá hóa sẽ mất đi cấu trúc tương tác với mdm2 (nhân tố ức chế p53) và tiến hành khởi động phiên mã cho p21 (Sengupta và nnk, 2022). p21 hoạt động như nhân tố ức chế phức hợp Cdk2/E làm cho tế bào bị dừng lại ở trước hoặc trong pha S2 (Brugarolas và nnk, 1998). Trong quá trình tạo hợp tử, một lượng lớn histone đã được chuẩn bị nhằm phục vụ cho sự phát triển phôi sớm. Sự đậm đặc của nồng độ histone có trong tế bào làm cấu trúc DNA được xoắn chặt ngăn cho quá trình phiên mã diễn ra (Vastenhouw và nnk, 2019). Sự phân cắt hợp tử diễn ra kèm theo sự giữ nguyên về thể tích, nồng độ histone được phân bố vào các tế bào con trở nên ít dần, từ đó tạo điều kiện cho các yếu tố phiên mã tiếp xúc và thực hiện chức năng (Vastenhouw và nnk, 2019). 6. DẤU ẤN DI TRUYỀN BIỂU SINH TRONG QUÁ TRÌNH ZGA Những chuyển biến đáng ghi nhận của cấu trúc nhiễm sắc thể hầu như xảy ra trước khi sự phiên mã ồ ạt diễn ra trong ZGA (Vastenhouw và nnk, 2019). Hợp tử hình thành từ sự kết hợp không đồng đều giữa giao tử đực và giao tử cái, giao tử cái có nhiệm vụ cung cấp luôn cả môi trường tế bào chất với đầy đủ các thành phần chức năng (Siu và nnk, 2021). Khả năng phiên mã ban đầu của giao tử đực là cao hơn nhiều so với giao tử cái trong giai đoạn phôi sớm (Breton-Larrivée và nnk, 2019). Sự kết hợp giữa hai giao tử đòi hỏi sự tái cấu trúc nhiễm sắc thể một cách toàn diện để hình thành cấu trúc nhiễm sắc thể mới kế thừa từ cá thể bố, mẹ (Breton-Larrivée và nnk, 2019). Giai đoạn có sự tái cấu trúc nhiễm sắc thể mạnh mẽ nhất diễn ra khi phôi 1 đến 2 tế bào (Vastenhouw và nnk, 2019). Quan sát thấy cấu trúc nhiễm sắc thể phân tán và cực kì linh động ở giai đoạn 1 tế bào sau đó thì bắt đầu cô đặc sau khi bước sang giai đoạn 2 tế bào, trong đó nhiễm sắc thể có nguồn gốc từ bố có tính linh động cao hơn so với nhiễm sắc thể từ mẹ điều này làm cho chúng dễ dàng tiếp cận với DNA polymerase nhóm I, đây là lý do một số gen biểu hiện giai đoạn này có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể từ bố (Mu và nnk, 2022; Yuan và nnk, 2023). Với mức độ giãn xoắn cao, cấu trúc thượng nguồn các gen lỏng lẻo vì thế một số gen được mã hóa trong giai đoạn này không cần các nhân tố xúc tác (thông thường là các nhóm protein hỗ trợ giãn xoắn), tuy nhiên sang giai đoạn 2 tế bào thì việc tiếp cận phiên mã trở nên khó khăn hơn do nhiễm sắc thể đóng xoắn và cô đặc lại khi này cần có các yếu tố hỗ trợ phiên mã (Schulz và Harrison, 2019; Yuan và nnk, 2023). 53
Cấu trúc nhiễm sắc thể hình thành dựa trên sự đóng xoắn DNA xung quanh các lõi histone tạo thành đơn vị câu trúc gọi là nucleosome (Sokolova và nnk, 2023). Các đuôi histone có vai trò quan trọng trong việc ổn định cấu trúc của nucleosome và được điều chỉnh thông qua các yếu tố biểu sinh như sự methyl hóa hay acetyl hóa (Handy và nnk, 2011; Sokolova và nnk, 2023). Tùy theo vị trí mà các dấu ấn biểu sinh gắn vào mà có các công dụng khác nhau (Handy và nnk, 2011). Sự gắn ba gốc methyl lên đuôi histone H3 tại vị trí lysine 4 (H3K4me3) có vai trò kích thích hoạt động của promoter, trong khi quá trình methyl hóa tương tự diễn ra trên lysine 27 (H3K27me3) lại gây ức chế biểu hiện gen (Lesch và nnk, 2014). Sự methyl hóa lysine số 4 trên histone H3 được biết ghi nhận là có vai trò trong việc kích hoạt bộ gen phôi ở cá và lưỡng cư khi một lượng H3K4me3 xuất hiện trên hitone trước khi ghi nhận tín hiệu của ZGA (Schulz và Harrison, 2019). Ở ếch thì hàm lượng H3K4me3 này tăng mạnh khi phôi đến giai đoạn phôi vị (Schulz và Harrison, 2019). H3K4me3 có vai trò như chỉ dấu nhận biết ngăn chặn hoạt động của DNA methyltransferase DNMT3A và DNMT3B yếu tố gây methyl hóa DNA làm ngưng tụ nhiễm sắc thể và ức chế biểu hiện gen, còn H3K27me3 có vai trò trong việc ức chế việc biểu hiện gen chủ yếu là các nhóm gen biểu hiện trong các tế bào sinh dưỡng (Y. Zhang và nnk, 2010). Hình 4. Các dấu ấn di truyền biểu sinh trên đuôi Histone tham gia vào quá trình truyền tín hiệu điều hoà biểu hiện gen Bên cạnh sự methyl hóa histone thì các chỉ dấu acetyl hóa được biết đến như các dấu hiệu biểu sinh cho sự hoạt hóa biển hiện gen do làm giãn cấu trúc nucleosome từ đó các thành phần phiên mã dễ dàng tiếp cận và thực hiện chức năng (Handy và nnk, 2011). Ở nhiều loài sự acetyl hóa tăng lên trong giai đoạn MZT và chủ yếu liên quan đến các nhóm gen cần thiết cho quá trình khởi động ZGA (Jukam và nnk, 2017). Ở ruồi giấm, người ta thấy các chỉ dấu acetyl hóa như acetyl hóa lysine 8 trên histone H4 (H4K8ac), acetyl hóa histone H3 tại lysine 18 (H3K18ac) và acetyl hóa histone H3 tại lysine 27 (H3K27ac) xuất hiện nhiều trên các vùng tương tác TSS (transcription start sites) (Schulz và Harrison, 2019). Các công bố trên chuột cũng chỉ ra H3K27ac được bổ sung tích cực trên histone trước khi quá trình ZGA xảy ra (Schulz và Harrison, 2019). Có thể thấy việc xuất hiện các chỉ dấu acetyl hóa là cần thiết và phổ biết ở các loài khác nhau nhằm kích hoạt ZGA (Schulz và Harrison, 2019; Yuan và nnk, 2023). Ngoài các dấu hiệu biểu sinh trên histone, sự thay đổi các biến thể histone cũng đóng góp trong việc kích hoạt bộ gen phôi như H2A.Z hay sự thay thế của somatic linker histone H1 cho embryonic linker histone H1 cũng được cho biết là có tác động kích hoạt ZGA (Ibarra-Morales và nnk, 2021b). Sự methyl hóa cytosine thành 5-methylcytosine là một nguyên nhân gây ra sự “im lặng” trong biểu hiện một số gen trên nhiễm sắc thể X hoặc các gen imprinting (Turpin và nnk, 2022). Sự methyl hóa ở người và chuột được nghiên cứu thấy là bị loại bỏ hầu như hoàn toàn trước giai đoạn ZGA (Jukam và nnk, 2017). Tuy nhiên một số dấu ấn biểu sinh trên DNA gần đây được xác định là vẫn còn được giữ lại một phần nhỏ trước và sau khi ZGA xảy ra. Các dấu hiệu biểu sinh này di truyền tương đối ổn định trên DNA khi chúng có nguồn gốc từ cá thể đực (Liu và nnk, 2018; Mu và nnk, 2022). Các promoter có CpG được khử methyl hóa không chỉ tạo điều kiện cho phiên mã diễn ra mà còn có vai trò trong việc đánh dấu các nhóm gen cần thiết phải phiên mã trong ZGA (Liu và nnk, 2018). Như đã đề cập các dấu hiệu methyl hóa được giữ 54
lại nhiều trong DNA từ giao tử đực, các vùng có methyl hóa cao này có vai trò trong việc thu hút các yếu tố Pou5f3 và Nanog là các transcription factors (TFs), các TFs này làm mất tính ổn định nucleosome tại các vùng có ái lực cao (the high nucleosome affinity regions – HNARs) bằng cách tham gia liên kết với chúng sau đó duy trì trạng mở của cấu trúc nucleosome cần thiết cho sự phiên mã, Nanog liên kết với trung tâm HNAR, trong khi Pou5f3 ổn định hai bên sườn (Veil và nnk, 2019). Sự methyl hóa DNA và khử methyl hóa DNA là động lực cho sự hoạt hóa phiên mã tuy nhiên vẫn cần phải có thêm nhiều nghiên cứu về vai trò cụ thể. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Breton-Larrivée, M., Elder, E., & McGraw, S. (2019). DNA methylation, environmental exposures and early embryo development. Anim Reprod, 16(3), 465-474. 2. Brugarolas, J., Bronson, R. T., & Jacks, T. (1998). p21 is a critical CDK2 regulator essential for proliferation control in Rb-deficient cells. J Cell Biol, 141(2), 503-514. 3. Burruel, V., Klooster, K., Barker, C. M., Pera, R. R., & Meyers, S. (2014). Abnormal early cleavage events predict early embryo demise: sperm oxidative stress and early abnormal cleavage. Sci Rep, 4, 6598. 4. Buzollo, H., Veríssimo-Silveira, R., Oliveira-Almeida, I., Alexandre, J., Okuda, H., & Ninhaus- Silveira, A. (2010). Structural analysis of the Pimelodus maculatus (Lacépède, 1803) embryogenesis (Siluriformes: Pimelodidae). Neotropical Ichthyology, 9, 601-616. 5. Chen, K., Liu, W., Zhu, J., Kou, X., Zhao, Y., Wang, H., . . . Kang, L. (2024). Pivotal role for long noncoding RNAs in zygotic genome activation in mice. Science China Life Sciences, 2024. 6. Chen, X., Zheng, Y., Lei, A., Zhang, H., Niu, H., Li, X., . . . Zeng, W. (2020). Early cleavage of preimplantation embryos is regulated by tRNA(Gln-TTG)-derived small RNAs present in mature spermatozoa. J Biol Chem, 295(32), 10885-10900. 7. Farrell, J. A., & O'Farrell, P. H. (2014). From egg to gastrula: how the cell cycle is remodeled during the Drosophila mid-blastula transition. Annu Rev Genet, 48, 269-294. 8. Fu, B., Ma, H., & Liu, D. (2019). Endogenous Retroviruses Function as Gene Expression Regulatory Elements During Mammalian Pre-implantation Embryo Development. International Journal of Molecular Sciences, 20(3), 790-. 9. Gao, Y., Liu, X., Tang, B., Li, C., Kou, Z., Li, L., . . . Gao, S. (2017). Protein Expression Landscape of Mouse Embryos during Pre-implantation Development. Cell Reports, 21(13), 3957-3969. 10. Handy, D. E., Castro, R., & Loscalzo, J. (2011). Epigenetic modifications: basic mechanisms and role in cardiovascular disease. Circulation, 123(19), 2145-2156. 11. Homer, C., Knight, D. A., Hananeia, L., Sheard, P., Risk, J., Lasham, A., . . . Braithwaite, A. W. (2005). Y-box factor YB1 controls p53 apoptotic function. Oncogene, 24(56), 8314-8325. 12. Ibarra-Morales, D., Rauer, M., Quarato, P., Rabbani, L., Zenk, F., Schulte-Sasse, M., . . . Iovino, N. (2021a). Histone variant H2A.Z regulates zygotic genome activation. Nature Communications, 12(1), 7002. 13. Ibarra-Morales, D., Rauer, M., Quarato, P., Rabbani, L., Zenk, F., Schulte-Sasse, M., . . . Iovino, N. (2021b). Histone variant H2A.Z regulates zygotic genome activation. Nat Commun, 12(1), 7002. 14. Ikegami, R., Hunter, P., & Yager, T. D. (1999). Developmental activation of the capability to undergo checkpoint-induced apoptosis in the early zebrafish embryo. Dev Biol, 209(2), 409-433. 15. Iwao, Y., Uchida, Y., Ueno, S., Yoshizaki, N., & Masui, Y. (2005). Midblastula transition (MBT) of the cell cycles in the yolk and pigment granule-free translucent blastomeres obtained from centrifuged Xenopus embryos. Dev Growth Differ, 47(5), 283-294. 16. Jukam, D., Shariati, S. A. M., & Skotheim, J. M. (2017). Zygotic genome activation in vertebrates. Dev Cell, 42(4), 316-332. 17. Kermi, C., Aze, A., & Maiorano, D. (2019). Preserving genome integrity during the early embryonic DNA replication cycles. Genes, 10, 398. 18. Lesch, B. J., & Page, D. C. (2014). Poised chromatin in the mammalian germ line. Development, 141(19), 3619-3626. 55
19. Liang, J., Wang, S., & Wang, Z. (2017). Role of microRNAs in embryo implantation. Reprod Biol Endocrinol, 15(1), 90. 20. Liu, G., Wang, W., Hu, S., Wang, X., & Zhang, Y. (2018). Inherited DNA methylation primes the establishment of accessible chromatin during genome activation. Genome Res, 28(7), 998-1007. 21. Lund, E., Liu, M., Hartley, R. S., Sheets, M. D., & Dahlberg, J. E. (2009). Deadenylation of maternal mRNAs mediated by miR-427 in Xenopus laevis embryos. Rna, 15(12), 2351-2363. 22. Messinis, I. E., Anifandis, G., Messini, C. I., & Dafopoulos, K. (2016). Fertilization Reference Module in Biomedical Sciences: Elsevier. 23. Minelli, A. (2011). Animal development, an open-ended segment of life. Biol Theory, 6, 4-15. 24. Mu, J., Zhou, Z., Sang, Q., & Wang, L. (2022). The physiological and pathological mechanisms of early embryonic development. Fundamental Research, 2(6), 859-872. 25. Niedzwiecka, A., Darzynkiewicz, E., & Stolarski, R. (2004). Thermodynamics of mRNA 5' cap binding by eukaryotic translation initiation factor eIF4E. Biochemistry, 43(42), 13305-13317. 26. Olivetta, M., & Dudin, O. (2023). The nuclear-to-cytoplasmic ratio drives cellularization in the close animal relative Sphaeroforma arctica. Current Biology, 33(8), 1597-1605. 27. Ou, Y. H., Chung, P. H., Sun, T. P., & Shieh, S. Y. (2005). p53 C-terminal phosphorylation by CHK1 and CHK2 participates in the regulation of DNA-damage-induced C-terminal acetylation. Mol Biol Cell, 16(4), 1684-1695. 28. Pogoriler, J., & Du, W. (2004). Chk1 activation and the nuclear/cytoplasmic ratio. Dev Cell, 7(2), 147-148. 29. Schulz, K. N., & Harrison, M. M. (2019). Mechanisms regulating zygotic genome activation. Nat Rev Genet, 20(4), 221-234. 30. Sengupta, S., Ghufran, S. M., Khan, A., Biswas, S., & Roychoudhury, S. (2022). Transition of amyloid/mutant p53 from tumor suppressor to an oncogene and therapeutic approaches to ameliorate metastasis and cancer stemness. Cancer Cell International, 22(1), 416. 31. Siu, K. K., Serrão, V. H. B., Ziyyat, A., & Lee, J. E. (2021). The cell biology of fertilization: Gamete attachment and fusion. J Cell Biol, 220(10). 32. Sokolova, V., Sarkar, S., & Tan, D. (2023). Histone variants and chromatin structure, update of advances. Comput Struct Biotechnol J, 21, 299-311. 33. Suwińska, A., & Ajduk, A. (2019). Early mammalian development: from basic research to the clinic. Int J Dev Biol, 63(3-4-5), 73-75. 34. Syed, S., Wilky, H., Raimundo, J., Lim, B., & Amodeo, A. A. (2021). The nuclear to cytoplasmic ratio directly regulates zygotic transcription in Drosophila through multiple modalities. Proc Natl Acad Sci U S A, 118(14). 35. Tadros, W., & Lipshitz, H. D. (2009). The maternal-to-zygotic transition: a play in two acts. Development, 136(18), 3033-3042. 36. Turpin, M., & Salbert, G. (2022). 5-methylcytosine turnover: Mechanisms and therapeutic implications in cancer. Front Mol Biosci, 9, 976862. 37. Vastenhouw, N. L., Cao, W. X., & Lipshitz, H. D. (2019). The maternal-to-zygotic transition revisited. Development, 146(11). 38. Veil, M., Yampolsky, L. Y., Grüning, B., & Onichtchouk, D. (2019). Pou5f3, SoxB1, and Nanog remodel chromatin on high nucleosome affinity regions at zygotic genome activation. Genome Res, 29(3), 383-395. 39. Ying, S. Y., Chang, D. C., & Lin, S. L. (2008). The microRNA (miRNA): overview of the RNA genes that modulate gene function. Mol Biotechnol, 38(3), 257-268. 40. Yuan, S., Zhan, J., Zhang, J., Liu, Z., Hou, Z., Zhang, C., . . . Wu, K. (2023). Human zygotic genome activation is initiated from paternal genome. Cell Discovery, 9(1), 13. 41. Zhang, M., Skirkanich, J., Lampson, M. A., & Klein, P. S. (2017). Cell cycle remodeling and zygotic gene activation at the midblastula transition. Adv Exp Med Biol, 953, 441-487. 42. Zhang, Y., Jurkowska, R., Soeroes, S., Rajavelu, A., Dhayalan, A., Bock, I., . . . Jeltsch, A. (2010). Chromatin methylation activity of Dnmt3a and Dnmt3a/3L is guided by interaction of the ADD domain with the histone H3 tail. Nucleic Acids Res, 38(13), 4246-4253. 56