NC详解 | ATAC/CUT&Tag/scRNA-seq揭示Fosl2决定卵泡发育的关键作用
文章标题：Fosl2 facilitates chromatin accessibility to determine developmental events during follicular maturation 文章主题：Fosl2调控卵泡成熟的表观遗传机制 发表期刊：Nature Communications 影响因子：15.7 组学技术：ATAC-seq、CUT&Tag-seq、RNA-seq、scRNA-seq
女性不孕问题备受关注，卵巢卵泡中颗粒细胞对卵母细胞成熟与卵泡发育至关重要，其功能异常会引发卵巢功能障碍与不孕，而染色质可及性等表观遗传调控参与卵泡发生，但颗粒细胞成熟过程中染色质重塑的动态变化、关键转录因子及其与下游转录调控网络的互作机制尚不明确，且AP-1家族转录因子Fosl2在卵泡成熟中的具体调控功能也有待揭示。 图1.分析流程图 1. 颗粒细胞在卵泡成熟过程中发生显著的染色质景观重塑
以猪和小鼠为模型，研究发现颗粒细胞（GC）从卵泡腔期（AP）到排卵期（OP）的形态与转录组发生剧烈变化，排卵期颗粒细胞中Cyp11a1、Star等发育相关基因显著上调，而卵母细胞的转录波动远小于颗粒细胞，且失去颗粒细胞支持的卵母细胞会出现大量成熟相关基因表达异常；利用ATAC-seq检测染色质可及性发现，颗粒细胞在成熟过程中出现全基因组染色质重塑，开放区域主要富集于启动子与增强子区域，且排卵期关键基因启动子区域 H3K4me3 修饰显著增强，表明染色质开放与组蛋白修饰共同调控卵泡成熟相关转录程序。
图2. 卵泡成熟过程中发生开放染色质重塑与转录网络重编程 2. 排卵期特异性GAA区域通过启动子开放调控邻近GDG基因表达
在卵泡成熟过程中，颗粒细胞出现超过10000个染色质差异可及区域，其中包含8646个排卵期显著开放的GC激活可及区（GAA）与7954个开放程度下降的GC抑制可及区（GIA），这些区域主要集中在转录起始位点（TSS）附近2kb范围内；GAA区域在排卵期伴随H3K4me3与H3K27ac修饰增强，其邻近基因显著上调并富集于卵泡发育、营养转运等通路，而GIA邻近基因表达下调且富集于细胞连接与信号转导通路；研究进一步定义了受GAA调控的颗粒细胞发育基因（GDG），发现Fshr、Atg9a等关键GDG在排卵期染色质开放程度与表达水平同步升高，证实启动子区域的GAA可直接激活邻近GDG表达。
图3. 位于启动子区域的GAA调控邻近GDG表达 3. 转录因子Fosl2特异性结合GAA并驱动染色质开放
对GAA区域进行基序富集分析发现，AP-1（bZIP）家族结合基序高度富集且特异性存在于GAA中，筛选AP-1家族成员后确定Fosl2在颗粒细胞排卵期显著高表达；Fosl2的CUT&Tag结果显示，其全基因组结合信号在排卵期显著增强，且差异结合峰与染色质开放变化高度相关，约75%的GAA与Fosl2排卵期新增结合峰重叠；聚类分析表明，排卵期特异性Fosl2结合峰与活跃染色质区域高度重合，并富集发育相关通路，同时Fosl2优先结合上调基因的启动子与远端区域，证明Fosl2是驱动GAA开放的核心转录激活因子。
图4. Fosl2结合GAA是下游基因表达的必需条件 4. Fosl2敲低会导致GAA开放程度下降并破坏转录因子结合
在猪颗粒细胞中敲低Fosl2后，全基因组染色质可及性显著降低，关闭区域高度富集Fosl2结合基序，且GAA的开放信号大幅下降，其变化趋势与卵泡成熟过程呈负相关；TF足迹分析显示，Fosl2敲低会导致自身及Tead4、Nrf2等转录因子的结合信号显著减弱；排卵期特异性Fosl2结合位点在敲低后染色质开放程度急剧下降，Tgfb1、Cyp11a1等GDG的GAA区域关闭，而卵泡腔期特异性基因不受影响，说明Fosl2对维持排卵期GAA开放至关重要。
图5. Fosl2控制卵泡成熟过程中GAA区域的染色质可及性 5. Fosl2缺失通过降低染色质可及性抑制GDG转录程序
Fosl2敲低后，其结合位点富集于下调基因的启动子与远端区域，且启动子区域Fosl2基序数量越多的基因下调越显著；GDG整体表达水平显著降低，涉及G2M检查点、卵泡发育等核心通路，而随机选择的对照基因无明显变化；同时GDG的染色质开放程度在Fosl2敲低后显著下降，Fshr、Mapk1等代表性GDG的Fosl2结合、染色质开放与基因表达同步降低，证实Fosl2通过维持GAA开放来保障GDG的正常转录。
图6. Fosl2缺失破坏染色质可及性并导致GDG表达抑制 6. Fosl2介导的染色质调控机制在哺乳动物中具有保守性
在小鼠颗粒细胞中同样鉴定出14072个排卵期特异性GAA，GDG的表达与染色质开放规律与猪高度一致，且GAA区域同样富集AP-1/Fosl2基序，Fosl2在小鼠排卵期颗粒细胞中高表达；卵母细胞中Fosl2在卵泡早期高表达、排卵期下降，与颗粒细胞呈相反趋势，而共培养实验证明颗粒细胞中Fosl2的上调不依赖与卵母细胞的直接接触，表明Fosl2调控卵泡成熟的机制在猪与小鼠中保守存在。
图7. Fosl2介导的染色质可及性调控在哺乳动物中保守存在 7. 颗粒细胞特异性敲除Fosl2导致小鼠排卵异常与卵巢衰老加速
构建颗粒细胞特异性Fosl2敲除小鼠（cKO），发现敲除雌鼠呈现亚生育表型，随周龄增长产仔数减少、发情周期延长，对促性腺激素敏感性下降，超排卵后卵母细胞数量与质量降低、黄体数量减少；单细胞测序显示，Fosl2缺失导致颗粒细胞亚群失衡，壁层颗粒细胞比例下降、闭锁颗粒细胞显著增加，且二者均出现促炎与衰老通路激活、发育通路抑制；7月龄敲除小鼠卵巢出现明显萎缩、空泡化，黄体数量显著减少，表明Fosl2对维持颗粒细胞稳态、保障排卵及延缓卵巢衰老不可或缺。
图8. 颗粒细胞特异性缺失Fosl2导致卵巢细胞构成异常与生殖障碍 本研究综合运用ATAC-seq、CUT&Tag、mRNA-seq、scRNA-seq等多维组学技术，系统解析了哺乳动物卵泡成熟过程中颗粒细胞的染色质可及性动态重塑与转录调控机制，首次明确转录因子Fosl2是驱动排卵期染色质开放的核心因子。研究发现，卵泡从腔期向排卵期转变时，颗粒细胞形成大量排卵期特异性激活的染色质区域（GAA），这些区域主要位于启动子附近并富集H3K4me3激活修饰，直接上调颗粒细胞发育相关基因（GDG）表达；Fosl2通过特异性结合GAA区域，维持染色质开放状态并保障GDG转录程序正常运行；体内颗粒细胞特异性敲除Fosl2会导致颗粒细胞亚群失衡、排卵障碍、卵巢衰老加速，最终引发雌性小鼠亚生育。该研究填补了卵泡成熟过程中染色质重塑与转录调控的机制空白，从表观遗传层面揭示了Fosl2-GAA-GDG调控轴在卵泡发育与雌性生殖中的关键作用，为理解卵巢功能衰竭、女性不孕及生殖衰老提供了全新的分子靶点与理论基础。