ABSTRACT The genome is transcriptionally inert at fertilization and must be activated through a remarkable developmental process called zygotic genome activation (ZGA). The gene expression pattern formed over the course of ZGA is required for establishing totipotency in early embryos and subsequent development. Substantial epigenetic reprogramming contributes significantly to the pronounced change in gene expression during ZGA, however the mechanism has yet to be resolved. Here, we find histone deacetylase 1 and 2 (HDAC1/2) are critical histone modifiers that regulate ZGA through the histone deacetylase activity. Notably, we show that H3K27ac level declines dramatically during ZGA with a dynamic change in its genome-wide distribution. In mouse embryos, ectopic expression of HDAC1/2 dominant negative mutant leads to a failure of H3K27ac removal and a developmental arrest at 2-cell stage. RNA-seq results reveal a remarkable transcriptomic change with 6565 differentially expressed genes identified. Further analysis shows 64% of down-regulated genes are ZGA genes and 49% of up-regulated genes are developmental genes. Low input ChIP-seq analysis exhibits an increase and decrease of H3K27ac enrichment at the promoter region of up- and down-regulated genes, respectively. Moreover, HDAC1 mutants prohibited removal of broad H3K4me3 domain via impeding the expression of Kdm5s during ZGA. Importantly, the developmental block can be greatly overcome through injection of Kdm5b mRNA and expression of the majority of dysregulated genes partially corrected. Similar functional significance of HDAC1/2 in ZGA is conserved in bovine embryos. Together, we propose that HDAC1/2 is indispensable for mouse and bovine ZGA via creating correct transcriptional repressive and active states.

ABSTRACT Linker histone H1 binds to the nucleosome and is implicated in the regulation of the chromatin structure and function. The H1 variant H1FOO is heavily expressed in oocytes and early embryos. However, given the poor homology of H1FOO among mammals, the functional role of H1FOO during early embryonic development remains largely unknown, especially in domestic animals. Here, we find that H1FOO is not only expressed in oocytes and early embryos but granulosa cells and spermatids in cattle. We then demonstrate that the interference of H1FOO results in early embryonic developmental arrest in cattle using either RNA editing or Trim-Away approach. H1FOO depletion leads to compromised expression of critical lineage-specific genes at the morula stage and affects the establishment of cell polarity. Interestingly, H1FOO depletion causes a significant increase in expression genes encoding other linker H1 and core histones. Concurrently, there is an increase of H3K9me3 and H3K27me3, two markers of repressive chromatin and a decrease of H4K16ac, a marker of open chromatin. Importantly, overexpression of bovine H1FOO results in severe embryonic developmental defects. In sum, we propose that H1FOO controls the proper chromatin structure that is crucial for the fidelity of cell polarization and lineage specification during bovine early development.

Abstract Tead4, a critical transcription factor expressed during preimplantation development, is essential for the expression of trophectoderm-specific genes in mice. However, the functional mechanism of Tead4 in mouse preimplantation development and its conservation across mammals remain unclear. Here, we report that Tead4 is a crucial transcription factor necessary for blastocyst formation in mice. Disruption of Tead4 through base editing results in developmental arrest at the morula stage. Additionally, RNA-seq analysis reveals dysregulation of 670 genes in Tead4 knockout embryos. As anticipated, Tead4 knockout leads to a decrease in trophectoderm genes Cdx2 and Gata3 . Intriguingly, we observed a reduction in Krt8, suggesting that Tead4 influences the integrity of the trophectoderm epithelium in mice. More importantly, we noted a dramatic decrease in nuclear Yap in outside cells for Tead4 -deficient morula, indicating that Tead4 directly regulates Hippo signaling. In contrast, bovine embryos with TEAD4 depletion could still develop to blastocysts with normal expression of CDX2 , GATA3 , and SOX2 , albeit with a decrease in total cell number and ICM cell number. In conclusion, we propose that Tead4 regulates mouse blastocyst formation via Krt8 and Yap, both of which are critical regulators of mouse preimplantation development.