Эндогенные ретровирусы MLT2A1 человека активируют геном зиготы

Ключевое событие в раннем эмбриогенезе человека — активация генома зиготы (zygotic genome activation, ZGA), то есть запуск транскрипции генов эмбриона. Она происходит на стадии нескольких клеток и требует глобальной перестройки хроматина, а сбои активации часто приводят к остановке развития эмбриона и его гибели. При этом значительную часть видоспецифичного транскриптома при активации генома зиготы составляют ретротранспозоны. Из-за их высокой активности на ранних стадиях эмбрионального развития человека авторы статьи в Science предположили, что РНК ретротранспозонов может участвовать в регуляции ZGA.

У человека активация генома зиготы начинается на стадии четырех клеток, а на стадии восьми клеток повышена экспрессия большинства генов, специфичных для этого процесса. 
Для начала ученые проанализировали транскриптом эмбрионов, полученных путем экстракорпорального оплодотворения (ЭКО). Эмбрионы, претерпевшие остановку развития на стадии восьми клеток, сравнивали с контрольными, нормально развивавшимися. Оказалось, что при остановке развития один из классов ретротранспозонов — эндогенные ретровирусы — резко снижал экспрессию. Наиболее выраженные изменения наблюдались у ретровирусов, относящихся к подсемейству MLT2A1, причем в норме они были одними из самых высокоэкспрессируемых ретротранспозонов. 

В ранних эмбрионах человека экспрессия MLT2A1 была специфична для ZGA и коррелировала с экспрессией маркеров этого процесса. Перепрограммирование клеток в тотипотентное состояние, соответствующее восьмиклеточному эмбриону, также сопровождалось активацией MLT2A1. 

С помощью нанопорового секвенирования РНК авторы показали, что MLT2A1 формирует химерные транскрипты. На стадии восьмиклеточного эмбриона около 71% химер представляли собой продукты слияния MLT2A1 с другими ретротранспозонами, в том числе LINE1 и Alu-повторы.

Чтобы оценить роль химерных РНК в активации генома зиготы, авторы сконструировали антисмысловые олигонуклеотиды, нацеленные на MLT2A1. Истощение РНК этих эндогенных ретровирусов подтвердили транскриптомным анализом. Помимо самих MLT2A1, нокдаун подавлял экспрессию химерных вариантов. Кроме того, в клетках снижался уровень белка ZSCAN4, который экспрессируется на ранних стадиях эмбрионального развития и участвует в поддержании целостности генома. Ключевые гены, ассоциированные с ZGA, также были подавлены при нокдауне MLT2A1. 

Анализ взаимодействия транскриптов с хроматином методом ChIRP (chromatin isolation by RNA purification) показал, что транскрипты MLT2A1 взаимодействовали с различными участками генома. При этом химерные варианты часто связывались с областями, прилегающими к ключевым гены ZGA.

Проанализировав клеточные мишени транскриптов MLT2A1 методом масс-спектрометрии, авторы выявили активное связывание с гетерогенным ядерным рибонуклеопротеином U (HNRNPU). Он известен своей активной ролью в сплайсинге РНК, взаимодействии с хроматином и регуляции генов. В частности, этот рибонуклеопротеин взаимодействует с РНК-полимеразой II и усиливает ее транскрипционную активность.

Авторы показали, что РНК MLT2A1, связываясь с HNRNPU, обеспечивают привлечение РНК-полимеразы II к генам, ключевым для ZGA. Нокдаун HNRNPU приводил к снижению экспрессии этих генов, причем их сплайсинг не затрагивался. В результате таких транскриптомных изменений нарушалось дальнейшее развитие восьмиклеточных эмбрионов. 

Наконец, ученые провели опыты по специфичному нокдауну химерных транскриптов MLT2A1. Нацелившись на них с помощью антисмысловых олигонуклеотидов, они продемонстрировали, что истощение РНК-химер MLT2A1 снижало экспрессию маркеров ZGA, подобно тому, как это происходило при нокдауне HNRNPU. Напротив, эктопическая оверэкспрессия химерных РНК при дефиците эндогенного MLT2A1 восстанавливала транскриптомный профиль, характерный для активации генома зиготы. 

Таким образом, эндогенные ретровирусы подсемейства MLT2A1 играют ключевую роль в запуске транскрипции собственных генов эмбриона. Они образуют набор химерных транскриптов, которые способны привлекать HNRNPU и РНК-полимеразу II к ключевым участкам генома, связанным с ZGA. 

Ретровирус в геноме управляет ходом эмбриогенеза мыши