[论文解读] Decreasing nuclear volume concentrates DNA and enforces transcription factor-chromatin associations during Zebrafish genome activation

Matthias Reisser, J. Christof M. Gebhardt|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Genomics and Chromatin DynamicsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 92被引用 22

一句话总结

本研究揭示，斑马鱼胚胎中核体积减小可浓缩DNA并增强转录因子（TBP）与染色质的结合，从而在合子基因组激活（ZGA）期间发挥关键作用。通过活体胚胎中的单分子追踪技术，作者证明核体积缩小作为一种物理时钟和驱动因素，通过提高局部DNA和TBP浓度，从而增强早期发育过程中转录因子-染色质的相互作用。

ABSTRACT

Zygotic genome activation (ZGA), the onset of transcription after initial quiescence, is a major developmental step in many species, which occurs after ten cell divisions in Zebrafish embryos. How transcription factor-chromatin interactions evolve during early development to support ZGA is largely unknown. We established single molecule tracking in live developing Zebrafish embryos using reflected light-sheet microscopy to visualize the general transcription factor TATA-binding protein (TBP), and developed a novel data acquisition and analysis scheme to extract kinetic information during fast cell cycles. The chromatin-bound fraction of TBP increases during early development, compatible with increasing transcriptional activity. By quantifying TBP and DNA concentrations and their binding kinetics, we device a physical model of how the nuclear volume, which decreases during early development, enhances TBP-chromatin associations. Our single molecule data suggest that the shrinking nucleus is a major driving force and timer of ZGA in Zebrafish embryos.

研究动机与目标

• 理解斑马鱼合子基因组激活（ZGA）期间转录因子-染色质相互作用的生物物理机制。
• 研究早期胚胎细胞周期中核体积变化如何影响转录因子动力学与染色质结合。
• 确定由于核缩窄导致的DNA和转录因子物理浓缩是否促进ZGA的启动。
• 开发并应用一种新颖的活体成像与动力学分析框架，用于快速循环的斑马鱼胚胎中的单分子追踪。

提出的方法

• 采用反射光片层显微技术，对活体斑马鱼胚胎中单个TBP分子进行高速、低光毒性的成像。
• 开发定制化的数据采集与分析流程，从单分子追踪数据中提取TBP结合与扩散的动力学参数。
• 量化早期细胞周期中核体积、DNA浓度及TBP染色质结合分数的变化。
• 构建一个物理模型，将核体积减小与TBP与染色质之间有效结合速率的提升联系起来。
• 利用荧光漂白后恢复（FRAP）和结合动力学分析，测量TBP的停留时间与染色质结合稳定性。
• 将核体积动态与染色质结合TBP分数的增加相关联，推断其对转录激活的功能影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期斑马鱼胚胎发育过程中，核体积如何变化，其对DNA和转录因子浓度有何影响？
• RQ2 核缩窄在合子基因组激活期间在多大程度上增强了转录因子-染色质结合亲和力？
• RQ3 由于核浓缩导致的DNA和转录因子物理浓缩，是否可以解释ZGA的时间调控？
• RQ4 TBP结合的动力学参数（结合速率、解离速率、停留时间）在早期细胞周期中如何演变？
• RQ5 核体积减小是ZGA启动的关键生物物理调节因子，还是仅是其被动相关因素？

主要发现

• 在早期斑马鱼细胞周期中，核体积显著减小，导致核内DNA浓度提高2至3倍。
• TBP的染色质结合分数从早期到中期囊胚阶段逐步上升，与转录活性的增强相一致。
• 单分子追踪显示，随着核体积缩小，TBP在染色质上的停留时间延长，表明其结合更牢固且更稳定。
• 物理模型表明，核体积减小通过浓缩TBP和染色质分子，即使内在亲和力不变，也能增强TBP-染色质结合的有效结合速率。
• 本研究将核体积减小识别为斑马鱼合子基因组激活的关键物理驱动因素，并可能作为其潜在的生物时钟。
• 观察到的TBP-染色质结合增强主要由物理限制驱动，而非转录因子表达水平或染色质可及性的改变。