胚胎發(fā)育是一個高度協(xié)調(diào)的時空編程過程，其中母源-合子轉(zhuǎn)換（MZT）是啟動個體發(fā)育的第一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。在這一過程中，合子基因組激活（ZGA）如何被精確調(diào)控，一直是發(fā)育生物學(xué)的重要科學(xué)問題。R-loop是由RNA:DNA雜合鏈和一條單鏈DNA組成的三鏈核酸結(jié)構(gòu)，廣泛存在于原核生物和真核生物基因組中，在轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控中扮演多重角色，但其在哺乳動物早期胚胎發(fā)育和細胞全能性中的功能與調(diào)控機制仍然未知。

2026年1月9日，廣州實驗室姚紅杰課題組在Cell Research在線發(fā)表了題為R-loops orchestrate RNAPII transcriptional reprogramming for the maternal-to-zygotic transition的研究論文。該研究系統(tǒng)揭示了R-loop在小鼠著床前胚胎發(fā)育的動態(tài)變化規(guī)律與重要功能，發(fā)現(xiàn)了一類新型的“CG-poor R-loops”扮演著 “發(fā)育計時器” 的關(guān)鍵角色，通過精準(zhǔn)調(diào)控RNA聚合酶II（RNAPII）的“暫停-釋放”轉(zhuǎn)換，保障了ZGA基因在正確的時間被激活，從而確保了MZT和胚胎發(fā)育的順利進行。

姚紅杰課題組前期與合作者運用傳統(tǒng)S9.6抗體的R-loop檢測方法揭示了R-loop在干細胞多能性誘導(dǎo)中必不可少（BIOART:），然而該方法存在檢測靈敏度不足的問題。為了突破這一瓶頸，姚紅杰團隊近期開發(fā)了不依賴抗體或蛋白富集的高分辨率R-loop檢測技術(shù)RIAN-seq（BIOART:）。為了闡明R-loop在哺乳動物早期胚胎發(fā)育中的作用，研究團隊進一步對RIAN-seq技術(shù)進行了微量化，系統(tǒng)研究了小鼠配子及植入前胚胎發(fā)育全程的R-loop動態(tài)變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，早期胚胎中的R-loops可根據(jù)其序列特征分為兩大類：CG-rich R-loops 和 CG-poor R-loops。CG-rich R-loops 在不同發(fā)育階段間相對穩(wěn)定、時期共享程度高；而CG-poor R-loops則表現(xiàn)出顯著的時期特異性。在ZGA時期，ZGA基因的啟動子區(qū)富集CG-poor R-loops，且不受轉(zhuǎn)錄抑制的影響，表明CG-poor R-loops并非轉(zhuǎn)錄伴隨產(chǎn)生的，而是預(yù)先設(shè)立在關(guān)鍵基因啟動子上的主動調(diào)控元件。

為了探究R-loop對早期胚胎發(fā)育的影響，研究團隊通過過表達RNase H1來全局性清除R-loops，發(fā)現(xiàn)消減 R-loops導(dǎo)致大部分胚胎發(fā)育停滯在1細胞到8細胞階段，囊胚形成率顯著下降，約47.5%的ZGA基因激活被抑制，同時40.7%的母源轉(zhuǎn)錄本降解被顯著延遲。運用dCas9-RNase H1系統(tǒng)精準(zhǔn)去除特定ZGA基因啟動子上不同類型的R-loops，研究人員發(fā)現(xiàn)消減CG-poor R-loops導(dǎo)致靶基因表達水平顯著降低，而消減CG-rich R-loops則對基因表達沒有影響。這表明CG-poor R-loops對激活ZGA基因是必要的，其丟失是導(dǎo)致胚胎發(fā)育缺陷的重要原因。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，消減R-loops導(dǎo)致RNAPII在ZGA基因啟動子上的富集下降。在晚期2細胞之前，RNAPII在ZGA基因上處于暫停狀態(tài)；而R-loops丟失導(dǎo)致RNAPII過早離開啟動子區(qū)并提前釋放，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄效率低下和基因表達下調(diào)。RNAPII的C端結(jié)構(gòu)域第2位絲氨酸磷酸化修飾（RNAPII S2p）是RNAPII從暫停狀態(tài)進入延伸狀態(tài)關(guān)鍵標(biāo)志。研究團隊揭示，消減R-loops使合子以及早期2細胞階段胚胎中的RNAPII S2p水平在ZGA基因上過度磷酸化，導(dǎo)致RNAPII提前釋放；而到了本應(yīng)激活的晚期2細胞階段，釋放的RNAPII及S2p磷酸化水平限制在較低水平，使RNAPII無法建立有效的轉(zhuǎn)錄延伸。

通過質(zhì)譜數(shù)據(jù)聯(lián)合分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)RNAPII S2p的相互作用蛋白組中顯著富集了R-loop解旋酶DDX21。在ZGA前期，CG-poor R-loops以競爭性結(jié)合的方式抑制了DDX21的解旋酶活性，阻止轉(zhuǎn)錄延伸關(guān)鍵因子CDK9的釋放，從而將RNAPII 及S2p的磷酸化限制在較低水平，確保RNAPII在啟動子上安穩(wěn)“待命”。等到發(fā)育時鐘走到晚期2細胞階段，隨著R-loops被適時地消減，DDX21被釋放，進而釋放CDK9，觸發(fā)RNAPII S2p的大規(guī)模磷酸化和高效的暫停釋放，最終實現(xiàn)ZGA基因的爆發(fā)式轉(zhuǎn)錄和胚胎的正常發(fā)育。

R-loop調(diào)控ZGA的模式圖。

綜上所述，這項研究確立了R-loop作為RNAPII進程直接調(diào)控者的關(guān)鍵身份：R-loop的CG含量編碼了功能指令，通過指導(dǎo)RNAPII跨越發(fā)育檢查點，調(diào)控基因表達的時序保真性。更重要的是，該研究發(fā)現(xiàn)了CG-poor R-loops這一類在早期胚胎中具有特定功能的R-loop亞型作為調(diào)控元件，精確調(diào)控早期胚胎發(fā)育中母源程序退出與合子程序快速激活。

姚紅杰課題組的副研究員李堯益博士、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院博士生李清同學(xué)和王新秀同學(xué)為論文共同第一作者，姚紅杰研究員為本文通訊作者；同濟大學(xué)高紹榮院士和陳嘉瑜教授，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院潘光錦研究員、安徽醫(yī)科大學(xué)張玲玲教授以及廣州實驗室吳光明研究員給予本研究重要幫助。

原文鏈接：doi.org/10.1038/s41422-025-01208-2

姚紅杰課題組主要從事表觀遺傳在干細胞命運決定和肺癌發(fā)生發(fā)展的機制研究，先后主持了國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃項目、國自然重點項目和聯(lián)合基金重點項目、廣州實驗室專項等國家級項目，研究成果先后發(fā)表在

Cell Stem Cell、Molecular Cell、Cell Research、Nature Communications、Science Advances、EMBO Journal

崗位1：博士后（肺癌機制研究與細胞治療方向），需求人數(shù)：2-3人

崗位2：博士后（干細胞命運調(diào)控與胚胎發(fā)育機制方向），需求人數(shù)：2-3人

崗位3：博士后（生物信息、算法開發(fā)與人工智能方向），需求人數(shù)：2-3人

聯(lián)系方式：yao_hongjie@gzlab.ac.cn

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