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2026年5月26日，中国科学院动物研究所郭帆研究员团队与安徽医科大学梁丹教授团队合作，在《Cell Discovery》期刊发表题为“Selective cellular localization of UHRF1 safeguards mammalian zygotic genome activation and early embryonic development”的研究论文，揭示了母源因子NLRP14在哺乳动物早期胚胎发育中的关键表观遗传调控机制：NLRP14通过将表观遗传调控蛋白UHRF1及其互作蛋白DNMT1限制在细胞质中，抑制其过早进入细胞核，从而精确调控合子基因组激活（ZGA）。
研究发现，在NLRP14缺失的母源敲除小鼠模型中，UHRF1和DNMT1异常进入细胞核，导致LINE1转座元件区域DNA去甲基化抑制，UHRF1过度结合并沉默LINE1，进而引起全局染色质可及性下降和ZGA失败，胚胎停滞在2细胞期。研究进一步构建Uhrf1/Nlrp14或Dnmt1/Nlrp14双母源敲除模型（DKO）和化学抑制剂实验，揭示其均有效挽救ZGA和胚胎发育阻滞。证明ZGA失败主要归因于UHRF1的核内异常定位，而非依赖于全基因组DNA甲基化维持。此外，研究还发现正常胚胎中残留在细胞核的UHRF1会结合并维持特定LTR亚型（如IAPLTR1a_Mm等）的沉默状态。本研究不仅揭示了UHRF1亚细胞定位的生物学意义，还阐明了调控哺乳动物胚胎发育过程中ZGA的潜在保守机制。
英文标题：Selective cellular localization of UHRF1 safeguards mammalian zygotic genome activation and early embryonic development
译文标题：UHRF1选择性亚细胞定位调控哺乳动物合子基因组激活和早期胚胎发育
发表时间：2026年5月26日
发表期刊：Cell Discovery
影响因子：IF12.5/Q1
技术平台：Smart-seq2、微量WGBS、ATAC-seq、CUT&Tag等（易基因金牌技术）
作者单位：中国科学院动物研究所、安徽医科大学
图形摘要：
UHRF1在早期胚胎中的作用模型。WT胚胎中DNMT1和UHRF1主要定位于细胞质，残留核UHRF1以DNA甲基化依赖性方式维持特定的LTR亚型（如IAPLTR1a_Mm、RLTR27等）沉默，同时LINE1（如L1Md_A、L1Md_T等）去甲基化并活跃转录，促进染色质重塑和ZGA基因激活。敲除UHRF1导致LTR过度激活，而Uhrf1缺失导致LTR过度激活，而Nlrp14缺失导致UHRF1入核，使LINE1维持甲基化并被沉默，进而抑制ZGA。
研究方法
（1）小鼠模型构建
基因敲除（KO）：在卵母细胞中特异性敲除Uhrf1、Dnmt1、Nlrp14，构建单基因和双基因（Uhrf1&Nlrp14、Dnmt1&Nlrp14）母源敲除小鼠模型。
基因敲入（KI）：在Nlrp14位点插入V5-3xHA标签，用于体内免疫共沉淀（Co-IP）和质谱分析。
（2）细胞与分子生物学
免疫共沉淀（Co-IP）：从Nlrp14敲入小鼠的合子或转染后的HEK293T细胞中提取蛋白Co-IP，结合质谱（MS）或免疫印迹（Western Blot）鉴定互作蛋白。
毛细管免疫分析（WES）：分析微量胚胎样品中的蛋白表达。
（3）胚胎处理
卵母细胞与胚胎收集：从不同日龄或激素处理后的雌鼠体内获取生发泡期（GV）卵母细胞、MII期卵母细胞、合子和各阶段早期胚胎。
化学抑制处理：leptomycin B (LMB) 处理细胞以抑制出核；NSC232003处理Nlrp14母源敲除胚胎以抑制UHRF1的染色质结合。
（4）表观多组学测序分析
转录组（Smart-seq2）：单个2细胞胚胎，用于分析ZGA基因和转座元件的表达变化。
染色质可及性（微量ATAC-seq）：少量HEK293T细胞和2细胞胚胎，评估全基因组染色质开放程度。
DNA-蛋白互作（CUT&Tag）：FLAG-UHRF1 mRNA 2细胞胚胎（约500个）进行CUT&Tag，绘制UHRF1在全基因组的结合图谱。同时也对H3K9me3进行CUT&Tag。
DNA甲基化（WGBS）：对10个2细胞胚胎进行混合测序，单碱基分辨率评估全基因组DNA甲基化水平，尤其是转座元件区域和印记调控区的甲基化状态。
单细胞染色质可及性、RNA和甲基化测序（scChaRM-seq)：同时在同一个单细胞2细胞胚胎中检测基因表达、染色质可及性和DNA甲基化。
结果图形
（1）NLRP14对UHRF1亚细胞定位的时空调控
研究首先证实了母源因子NLRP14在合子期调控UHRF1和DNMT1亚细胞定位中的核心作用：野生型（WT）合子中，NLRP14与UHRF1共定位于细胞质；Nlrp14母源敲除（Nlrp14mat-KO）的合子中，UHRF1和DNMT1均异常地累积在雌、雄原核中（图1a）。通过构建Nlrp14-V5-3xHA敲入小鼠，并利用抗HA抗体进行免疫共沉淀（Co-IP）联合质谱分析（图1b-d），证明UHRF1、DNMT1和PADI6与NLRP14存在物理互作。进一步细胞实验显示，NLRP14过表达不能介导UHRF1出核（图1e），且NLRP14与UHRF1互作在体细胞（HEK293T）中不保守（图1f）。AlphaFold-3蛋白结构预测（图1g）揭示，NLRP14的NATCH结构域与UHRF1的UBL结构域之间存在高置信度互作。这些结果共同表明，在卵母细胞向合子转变的过程中，NLRP14对UHRF1的细胞质阻滞起着关键作用，而非依赖DPPA3出核机制。
图1：UHRF1在小鼠合子中与NLRP14共定位并相关。
（2）Nlrp14mat-KO胚胎中UHRF1入核与染色质重塑缺失同步发生
为探究核内UHRF1功能，研究团队建立了FLAG-UHRF1-HA mRNA显微注射系统，在2细胞胚胎中进行CUT&Tag分析（图2a-b），以追踪UHRF1在染色质上的结合谱；同时研究团队利用微量ATAC-seq方法评估染色质状态。结果显示，Nlrp14mat-KO2细胞胚胎中ATAC峰数量和转录起始位点（TSS）周围的染色质可及性均显著降低，转录起始位点（TSS）附近的染色质可及性也明显降低（图2d-e）。表明UHRF1的异常核定位与染色质重塑受损密切相关。
图2：Nlrp14母源敲除胚胎中UHRF1的核内聚集与染色质可及性降低相关。
（3）UHRF1结合转座元件并与不开放染色质相关
通过对UHRF1的CUT&Tag数据进行分析，研究者鉴定出UHRF1结合峰（UBPs）。在Nlrp14mat-KO胚胎中，不仅保留了WT胚胎中存在的2072个“原始UBP”，还出现了2019个显著增强的“增强型UBP”。重要的是，这些“增强型UBP”与不开放染色质区域相关联。这些UBP并非随机分布，而是强富集于转座元件（TE），特别是LTR和LINE。在Nlrp14mat-KO胚胎中，“增强型UBP”在LINE元件上的富集尤为显著（图2c-f）。
（4）Nlrp14和Uhrf1双母源敲除胚胎中ZGA和2细胞阻滞可被挽救
为排除NLRP14缺失导致的其他母源蛋白降解对ZGA的独立影响，研究团队构建了Uhrf1&Nlrp14双母源敲除（mat-DKO）胚胎。在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO合子中，DNMT1仍可见于细胞核，但UHRF1信号消失（图3a）。且Uhrf1&Nlrp14mat-DKO胚胎在2细胞阻滞后完全释放，21.7%的胚胎可发育至囊胚阶段（图3b-c）。通过scChaRM-seq对单个2细胞胚胎进行多组学分析，发现Nlrp14mat-KO中59.06%（母源）和60.09%（父源）的ZGA基因显著下调，而在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO中这些基因的表达水平基本恢复（图3d）。这些结果表明，UHRF1入核是Nlrp14mat-KO胚胎中ZGA抑制和2细胞阻滞的主要原因。
图3：Nlrp14母源敲除胚胎中UHRF1母源缺失挽救ZGA并解除了2细胞阻滞。
（5）在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO胚胎中染色质可及性得到恢复，但DNA去甲基化仍整体受抑制
研究者进一步分析表观遗传变化。尽管Uhrf1&Nlrp14mat-DKO胚胎的ZGA和染色质可及性得到恢复，但其父源基因组的DNA去甲基化过程仍然像Nlrp14mat-KO胚胎一样显著受抑制，母源基因组去甲基化也只有轻微恢复。上述结果表明在2细胞胚胎中，UHRF1的主要负调控在于抑制染色质可及性，而非参与全基因组的DNA甲基化维持（图3e-f）。
（6）DNA甲基化参与核内UHRF1在早期胚胎中的负作用
为了探究DNA甲基化是否介导了UHRF1的负调控，研究者构建了Dnmt1&Nlrp14mat-DKO胚胎。在该胚胎中，尽管UHRF1仍定位在细胞核，但由于DNMT1缺失，全基因组DNA甲基化水平显著下降。重要的是，染色质可及性得以恢复，大部分ZGA基因被重新激活，但仍有一小部分（约12-18%）未能恢复。这证实DNA甲基化确实部分参与了核内UHRF1对ZGA的抑制作用，但并非全部机制（图4a-e）。
图4：UHRF1染色质占据受DNA甲基化调控并影响ZGA激活。
（7）通过SRA结构域抑制UHRF1染色质结合可重建Nlrp14mat-KO胚胎中的ZGA基因
为进一步验证UHRF1染色质结合与高DNA甲基化的关系，研究团队使用化学抑制剂NSC232003特异性破坏Nlrp14mat-KO胚胎中UHRF1的染色质结合，同时维持DNMT1/UHRF1的核信号（图4f）。
RT-qPCR显示Kdm5b、Obox6、Alppl2和Zscan5b等已知ZGA基因在NSC232003处理后均在Nlrp14mat-KO2细胞胚胎中被重新激活（图4g）。在NSC232003处理的Nlrp14mat-KO2细胞胚胎中，76.5%（母源）和79.1%（父源）的ZGA基因重新表达（图4h-i）。WGBS显示，NSC232003处理后WT和Nlrp14mat-KO2细胞胚胎的整体DNA甲基化水平未改变（图4j）。这些结果进一步表明，UHRF1通过高DNA甲基化结合是Nlrp14mat-KO中ZGA失败的主要原因。
（8）早期胚胎中初始UHRF1结合对LTR亚型失活是必需的
在阐明异常UHRF1核定位的负作用后，研究团队进一步探究了WT胚胎中原始UHRF1结合的生理功能。利用Uhrf1母源敲除模型，通过分析WT和Uhrf1mat-KO2细胞胚胎中父源TE表达变化，结合WT中高置信度UHRF1结合TEs，鉴定出4个候选UHRF1靶向TEs：IAPLTR1a_Mm、RLTR27、IAPEz-int和IAPEy-int（图5c）。
这些LTR亚型在WT胚胎中表现出强烈的UHRF1结合信号（图5d），在Uhrf1mat-KO中父源表达上调，而在Nlrp14mat-KO中下调（图5b）。表达热图显示，这4个LTR亚型在Uhrf1mat-KO中激活，在Nlrp14mat-KO中沉默，而在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO和NSC232003处理的Nlrp14mat-KO中恢复至接近WT水平（图5e）。DNA甲基化分析显示，这些LTR亚型在精子中高甲基化，在WT 2细胞胚胎中维持较高甲基化水平；在Uhrf1mat-KO中去甲基化，在Nlrp14mat-KO中维持高甲基化，在Dnmt1&Nlrp14mat-DKO和NSC232003处理组中去甲基化（图5f）。这些结果表明，WT胚胎中残留的核UHRF1通过DNA甲基化依赖性方式维持特定LTR亚型沉默，是早期胚胎发育所必需的生理功能。
图5：早期胚胎中初始UHRF1结合在非活性状态下维持特定的LTR亚型。
（9）核转运的UHRF1通过沉默LINE1元件以阻碍ZGA
最后，研究团队进一步分析了LINE1元件的调控。在Nlrp14mat-KO2细胞胚胎中可检测到UHRF1结合的3,318个LINE1插入位点中，UHRF1结合信号、H3K9me3信号和ATAC信号的热图显示，mat-KO中UHRF1结合显著增强，伴随ATAC信号降低（图6a）。L1Md_A和L1Md_T两个LINE1亚型在Uhrf1mat-KO中表达上调，在Nlrp14mat-KO中下调，在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO和NSC232003处理组中恢复（图6b）。IGV图显示，UHRF1靶向的LINE1位点在mat-KO中结合增强，ATAC信号降低，H3K9me3信号变化不显著（图6c）。
DNA甲基化分析显示，L1Md_A和L1Md_T在精子中高甲基化，在WT 2细胞胚胎中去甲基化；在Uhrf1mat-KO中去甲基化，在Nlrp14mat-KO和Uhrf1&Nlrp14mat-DKO中维持高甲基化（UHRF1缺失不影响DNMT1核定位），在Dnmt1&Nlrp14mat-DKO和NSC232003处理组中去甲基化（图6d）。
基于以上结果，研究提出工作模型：在正常胚胎中，UHRF1被排除在核外，使得LINE1能够成功去甲基化并维持活跃，从而促进染色质开放和ZGA。在Nlrp14缺失条件下，核内UHRF1和DNMT1抑制LINE1去甲基化，UHRF1结合并沉默LINE1，进而阻碍ZGA，最终导致胚胎发育失败（图6e）。
图6：核转运的UHRF1在Nlrp14母源敲除胚胎中沉默LINE1元件。
结论和启示
本研究通过WGBS、Smart-seq2、ATAC-seq、CUT&Tag表观多组学研究系统地揭示了母源蛋白NLRP14通过调控UHRF1的亚细胞定位，确保合子基因组激活（ZGA）和早期胚胎发育的分子机制。其核心结论是：UHRF1的细胞质定位对于保护LINE1免于被异常沉默至关重要，这种保护机制是ZGA顺利启动的逻辑前提。同时，UHRF1生理性核定位靶向LTR的功能对于维持基因组稳定性也必不可少。
DNA甲基化+多组学技术在本研究中的重要作用
Smart-seq2：鉴定ZGA基因表达变化、发现转座元件（TE）差异表达，精确定量Nlrp14mat-KO和Uhrf1mat-KO对ZGA程序和TE表达的重要作用。
WGBS：单碱基分辨率评估各种基因型（KO、DKO）和药物处理条件下，不同基因组区域（启动子、LINE1、LTR、印记调控区）的甲基化水平，揭示特定LTR逃避去甲基化、抑制LINE1去甲基化调控机制。
ATAC-seq：证实Nlrp14mat-KO胚胎中染色质整体关闭，并在Uhrf1&Nlrp14mat-DKO和Dnmt1&Nlrp14mat-DKO胚胎中证实了染色质可及性的恢复，建立UHRF1定位与染色质状态变化之间的直接联系。
CUT&Tag：绘制UHRF1和H3K9me3的全基因组结合图谱，证明UHRF1在异常情况下会过度结合在LINE1等位点，导致这些区域染色质关闭和基因沉默。
参考文献：
Yan R, Cheng X, Long X, Zhu Y, Zhang Q, Sun F, Zhang F, Wang M, Zhang R, Guo T, Hou X, Ji D, Cao Y, Gao F, Liang D, Guo F. Selective cellular localization of UHRF1 safeguards mammalian zygotic genome activation and early embryonic development. Cell Discov. 2026 May 26;12(1) doi: 10.1038/s41421-026-00896-3.
