哺乳动物胚胎发育的最早阶段，是一场精密而短暂的“交接仪式”。受精后，卵母细胞中储存的母源RNA被逐步清除，而合子基因组则在特定时间窗口内被有序唤醒，这一过程被称为合子基因组激活（zygotic genome activation, ZGA）。ZGA的失败会导致胚胎发育阻滞，是早期流产和生殖障碍的重要诱因之一。然而，长期以来，研究者面临一个根本性的技术难题：在富含母源RNA的早期胚胎中，传统RNA-seq无法区分哪些转录本是既存的母源RNA，哪些是合子转录的新生RNA。这一盲区使得ZGA的精确转录时序、基因激活波次乃至逆转座子等重复序列的贡献，始终难以被清晰描绘。

9月22日，生命科学与技术学院高绍荣/高亚威/张晓鸥研究团队在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊在线发表题为“Single-cell TimeLapse-seq reveals MTA is an essential retrotransposon orchestrating mouse zygotic genome activation”的研究论文。通过建立单细胞TimeLapse测序技术（scTimeLapse-seq，简称scTL-seq），将等位基因特异性的新生RNA检测推进到单个早期胚胎。研究不仅重新梳理了小鼠合子基因组激活的基因转录动态，还精确定义了基因组中逆转座子的激活拷贝数量、转录时序，以及形成的嵌合转录本。该研究工作揭示了逆转座子MTA作为受精后第一波（合子阶段）大范围的转录激活的逆转座子元件，参与了早期胚胎发育和合子基因组激活。

为鉴定小鼠ZGA过程中新生RNA，研究者采用了新生RNA代谢标记方法TimeLapse，让卵母细胞和早期胚胎在含有4-硫代尿苷（4sU）的培养条件下孵育，使新转录的RNA中参入4sU，并在体外通过化学氧化将其转变成C，最终在测序产物中把发生T-C突变的序列标记为新生转录本。研究者将TimeLapse技术优化到单个早期胚胎也能高效标记新转录本，且确保卵母细胞成熟率和植入前发育未受损。 

利用scTL-seq，研究者关注了小鼠胚胎母源合子转变过程各阶段的新转录基因数量，从一细胞原核（PN3）阶段到四细胞胚胎，共有3825个新生转录基因，呈现三个连续的转录波次。第一波是卵母细胞-合子阶段连续表达的基因共545个，包括Chaf1a等染色质调控因子，以及Obox、Nfya等早期发育调控基因。它们并非逐渐消退的母源转录本，而是受精后的重新转录。第二波是2细胞期短暂激活的基因共732个，包含Zscan4和Usp17l家族等典型2C相关基因。第三波是晚2细胞期至4细胞逐渐激活的基因共2548个，富集RNA/rRNA加工、翻译相关蛋白，为胚胎的后续发育做准备。值得注意的是，作者重点考察了第一波转录本是否存在父母源差异，利用C57BL/6雌鼠与PWK雄鼠的遗传差异，作者发现原核期可区分的新生转录本更多来自雌原核基因，尤其是外显子序列；来自雄原核的转录本中内含子和转座子序列的比例更高。提示卵母细胞核的基因转录状态在受精后第一时间重新启动并维持到2细胞前。 

基因组激活并不只发生在蛋白编码基因上，随后作者识别到近1万个具有新生转录信号的转座子位点，其中长末端重复序列（LTR）在ZGA过程中占据主导，其亚家族具有阶段鲜明的时序性激活特征。母源-原核阶段激活的第一波转座子主要由MaLR中的MTA贡献，它是小鼠特异性逆转座子元件；到2细胞期，ERVL中的MERVL-int与MT2_Mm显著增强；到4细胞期，ERVK中的IAPEz-int、RLTR45-int等进一步活跃。且不同波次的TE附近，也更容易出现相应阶段活跃的基因。 

进一步探究第一波激活的MTA逆转座子（Mouse Transcripts type-A，属于MaLR中的MT逆转座子家族）在早期胚胎中的作用，作者利用反义寡核苷酸ASO对其进行敲降，敲降后胚胎发生了严重的一细胞阻滞，受精12h的胚胎就发生了205个基因的下调，富集在第一波转录激活的基因中，且距离MTA越近的基因下调更明显，提示MTA产生局部顺式调控作用。作者还鉴定到由TE启动的TE-gene嵌合转录本中包含很多MT-gene的嵌合类型，如第一波转录的关键先锋转录因子NFYA，它有一半的转录本来自于MTB-Nfya，敲低该嵌合转录本使受精后的而细胞进程受到延迟，提示MaLR作为第一波转录的逆转座子不仅能够通过调控临近基因激活，还能形成嵌合转录本促进早期关键基因的激活。 

此外，敲降MTA不仅让基因启动受阻，也扰乱了其他转座子的激活节奏。作者发现敲低MTA后受精12小时，由392个TE亚家族发生显著上调，主要包括L1和ERVK，而下调只有包括MTA在内的7个亚家族。与邻近基因的局部效应不同，几百个TE家族的异常激活与它们距离MTA的远近没有相关性，提示MTA对TE的调控机制可能通过RNA实现。最后，作者通过Motif预测了可能激活MTA的关键转录因子，其中母源蛋白NOBOX在胚胎干细胞向卵母细胞样分化的过程中对MTA的激活有关键作用，是MTA的上游调控关键候选因子。

综上，该研究利用自主研发的单细胞测序新技术scTL-seq，绘制了小鼠胚胎激活的实时转录动态，并发现一细胞阶段转录激活的MTA逆转座子，它们广泛分布在小鼠基因组中，像第一波“冲锋战士”，既带动了附近关键基因的表达，又抑制了其他不该激活的转座子，确保了生命进程的正确启动。这一发现不仅加深了对转座子调控合子基因组激活作用机制的理解，也为生殖障碍和胚胎发育异常的研究提供了新线索。

同济大学生命科学与技术学院/附属妇产科医院吴悠副教授，博士研究生史晗溪，博士后颜如霜，博士研究生吴姜为论文并列第一作者。生命科学与技术学院高绍荣院士、高亚威教授、张晓鸥教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-77750-3