The awakening of the zygote genome, signaling the transition from maternal transcriptional control to zygotic control, is a watershed in embryonic development, but the factors and mechanisms controlling this transition are still poorly understood. By combining CRISPR-Cas9-mediated live imaging of the first transcribed genes (miR-430), chromatin and transcription analysis during zebrafish embryogenesis, we observed that genome activation is gradual and stochastic, and the active state is inherited in daughter cells. We discovered that genome activation is regulated through both translation of maternal mRNAs and the effects of these factors on the chromatin. We show that chemical inhibition of H3K27Ac writer (P300) and reader (Brd4) block genome activation, while induction of a histone acetylation prematurely activates transcription, and restore genome activation in embryos where translation of maternal mRNAs is impaired, demonstrating that they are limiting factors for the activation of the genome. In contrast to current models, we do not observe triggering of genome activation by a reduction of the nuclear-cytoplasmic(N/C) ratio or slower cell division. We conclude that genome activation is controlled by a time-dependent mechanism involving the translation of maternal mRNAs and the regulation of histone acetylation through P300 and Brd4. This mechanism is critical to initiating zygotic development and developmental reprogramming.

Post-transcriptional regulation is crucial to shape gene expression. During the Maternal-to-Zygotic Transition (MZT), thousands of maternal transcripts are regulated upon fertilization and genome activation. Transcript stability can be influenced by cis-elements and trans-factors, but how these inputs are integrated to determine the overall mRNA stability is unclear. Here, we show that most transcripts are under combinatorial regulation by multiple decay pathways during zebrafish MZT. To identify cis-regulatory elements, we performed a massively parallel reporter assay for stability-influencing sequences, which revealed that 3'-UTR poly-U motifs are associated with mRNA stability. In contrast, miR-430 target sequences, UAUUUAUU AU-rich elements (ARE), CCUC and CUGC elements emerged as the main destabilizing motifs in the embryo, with miR-430 and AREs causing mRNA deadenylation in a genome activation-dependent manner. To identify the trans-factors interacting with these cis-elements, we comprehensively profiled RNA-protein interactions and their associated regulatory activities across the transcriptome during the MZT. We find that poly-U binding proteins are preferentially associated with 3'-UTR sequences and stabilizing motifs, and that antagonistic sequence contexts for poly-C and poly-U binding proteins shape the binding landscape and magnitude of regulation across the transcriptome. Finally, we integrate these regulatory motifs into a machine learning model that accurately predicts the stability of mRNA reporters in vivo. Our findings reveal how mechanisms of post-transcriptional regulation are coordinated to direct changes in mRNA stability within the early zebrafish embryo.