ZFP560 通过促进 KAP1 依赖性的染色质抑制作用，来调控细胞从全能性状态的退出

《Journal of Genetics and Genomics》：ZFP560 facilitates KAP1-dependent chromatin repression to regulate exit from totipotency

　　

韩清生|王立超|刘畅|于华新|周浩|魏敏|李宗金|刘娜

南开大学医学院，天津300071，中国

摘要

KRAB锌指蛋白（KRAB-ZFPs）是哺乳动物中最丰富的转录调控因子和表观遗传抑制剂，在胚胎发育过程中参与沉默可移动元件（TEs）。然而，KRAB-ZFP家族在胚胎发育和细胞状态转变过程中的早期作用机制仍大多未被探索。本研究发现，锌指蛋白560（ZFP560）参与调控小鼠的早期胚胎发育及全能性向多能性的转变。ZFP560通过招募KAP1蛋白来保护异染色质结构，从而促进全能性的终止。ZFP560的缺失会破坏异染色质的形成，显著阻碍全能性向多能性的转变。同样，ZFP560的过度表达会通过其KRAB结构域招募KAP1蛋白，抑制2细胞（2C）转录因子的表达，进而降低染色质的可访问性。这些发现表明，ZFP560是一种高度表达的2C特异性KRAB-ZFP转录因子，它在促进全能性终止中起重要作用，为理解早期胚胎发育的表观遗传调控提供了新见解。

引言

全能性是指单个细胞能够发育成完整有机体及其胚胎外组织的能力，在小鼠中仅限于受精卵和2细胞（2C）阶段的胚胎（Posfai等人，2021年）。随着胚胎发育的进展，细胞的发育潜力逐渐减弱，最终分化为各种特化细胞类型（Shahbazi和Pasque，2024年）。全能性的建立和维持涉及复杂的表观遗传重编程过程（Han等人，2024年），包括DNA去甲基化（Mazid等人，2022年）、组蛋白修饰（Liu等人，2025年）、染色质重塑（Lefkopoulos，2022年）以及转座子活动的精细调控（Kravchenko和Tachibana，2025年）。

值得注意的是，可移动元件（TEs），特别是内源性逆转录病毒，在早期胚胎发育过程中表现出动态的激活-抑制模式（Macfarlan等人，2012年）。在小鼠2细胞胚胎中，如MERVL这样的逆转录元件会被特异性激活，并驱动2细胞阶段特异性基因的表达，这些基因被认为是全能性的分子标志物（Yang等人，2020年；Du和Wu，2024年）。这些转座子在多能性建立过程中会被迅速抑制，表明转座子活动与细胞潜能状态密切相关。

KRAB锌指蛋白（KRAB-ZFPs）是脊椎动物中最大的转录因子家族之一，在表观遗传调控和基因组稳定性维持中起着关键作用（Ecco等人，2016年）。随着内源性逆转录病毒（ERVs）和其他TEs的入侵，KRAB-ZFP家族在脊椎动物中经历了快速扩张（Iwasaki等人，2025年）。越来越多的证据表明，KRAB-ZFPs通过抑制转座子活动参与全能性的调控（Yang等人，2017年）。研究表明，在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，大约40%的KRAB-ZFP结合位点位于转座元件区域，尤其是内源性逆转录病毒的LTR序列上（Senft和Macfarlan，2021年；Yang等人，2022a）。然而，大多数KRAB-ZFP的生物功能仍不明确，其在早期胚胎发育过程中的时空表达模式和靶标特异性也需要系统研究。同时，KRAB-ZFPs如何协调转座子抑制与发育基因调控的关系仍不清楚。

通过绘制小鼠早期胚胎发育过程中、体外全能性类似细胞以及天真-启动转变过程中KRAB-ZFPs的表达模式，我们发现ZFP560是KRAB-ZFP家族中响应最早的因素，尤其是与其他调控全能性的成员（Zfp281、Zfp809和Zfp819）相比。其表达在全能性阶段达到峰值，类似于2C阶段特异性标记基因的表达。在胚胎干细胞中，Zfp560的缺失会导致异染色质标志的丢失，促进TEs和2C基因的激活，并增强滋养层分化的潜能，从而导致更开放的染色质状态，显著增加全能性2细胞样细胞（2CLCs）的比例。Zfp560敲除的mESCs能够在体内和体外自发分化为胚胎谱系。因此，我们的结果表明Zfp560的缺失增强了细胞命运转变，表现出更广泛的全能性特征。同样，Zfp560的过度表达通过其KRAB结构域招募KAP1蛋白，促进抑制性染色质环境的形成，导致表观遗传沉默和全能性的终止。ZNF778（小鼠Zfp560的同源物）也在多能性状态解除过程中起重要作用。这些发现全面揭示了ZFP560在物种间的生物功能，并阐明了参与胚胎发育的调控网络，为细胞命运的决定提供潜在应用，例如在细胞治疗中。

部分片段

阶段特异性表达模式表明ZFP560是体内和体外全能状态的标志

新证据表明，KRAB-ZFPs通过与染色质重塑因子的动态相互作用协调早期胚胎发生过程中的转录沉默，从而控制全能性的终止。通过对小鼠中415个KRAB-ZFP基因（Imbeault等人，2017年）进行聚类分析，并以Zfp809和Zfp819（胚胎干细胞状态转变的关键因子）作为对照，进行了注释。Zfp560在体内的全能性阶段具有高度特异性的表达（受精卵）

讨论

通过绘制小鼠早期胚胎发育过程中以及体外全能性类似细胞中KRAB-ZFPs的表达模式，我们发现ZFP560是KRAB-ZFP家族中响应最早的分子，尤其是与其他调控全能性的成员（Zfp281、Zfp809和Zfp819）相比。其表达在全能性阶段特别强烈，类似于2C阶段特异性标记基因的表达模式。

伦理声明

所有动物实验方案均符合国家研究委员会关于实验动物护理和使用的指导原则，并获得了南开大学动物研究委员会的批准（批准编号：2025-SYDWLL-000675）。

细胞培养

本研究中使用的人类iPSC克隆由天津大学刘志川研究小组提供。人类诱导多能干细胞在涂有Matrigel（Corning）的培养皿或Flask中用mTeSR?1培养

数据可用性

本研究的支持序列数据可由中国国家生物信息中心公开获取（https://www.cncb.ac.cn/），访问编号为PRJCA059101和PRJCA059128。

CRediT作者贡献声明

韩清生：概念提出、数据管理、资源收集、实验设计、方法验证、数据分析、撰写——初稿。王立超、于华新刘畅、周浩魏敏、李宗金刘娜

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32371217、32070860）、国家重点研发计划（2021YFA1101002）和天津市自然科学基金（22JCYBJC01220）的资助。