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          科研進展

          水生所揭示母源因子Nanog通過翻譯控制促進魚類卵子發生和卵子質量的新機制

          發表日期:2022-12-20何牡丹來源:水生生物研究所放大 縮小

             配子質量特別是卵子質量(卵質)是決定魚類繁育成功和養殖效率的先決條件。魚類的卵質由卵子中所儲存的所有母源因子的集合所共同決定。開展母源因子對卵子發生和早期胚胎發育的調控研究可以指導魚類卵質的評估,提升卵質,促進水產種業和養殖業的發展。在卵子發育和成熟的過程中,大量的母源mRNA被轉錄并囤積在卵子中,其在時空上有序的翻譯激活或翻譯抑制,即翻譯控制(translational control),決定了卵子發生進程和卵子質量,甚至是受精胚的早期發育。已有的資料表明,母源mRNA在卵子發育的過程中需要受到嚴密的翻譯控制。已報道的母源mRNA翻譯控制的機制包括通過調控mRNA的poly(A)的長度,或通過特異的RNA結合蛋白序列特異性的抑制某些mRNA的翻譯來實現。 

            1219日,水生所孫永華研究員團隊在國際學術期刊Development上發表了題為“母源Nanog通過翻譯控制促進卵子發生和胚胎發育”的研究論文(Research Article),以斑馬魚為模型揭示了母源因子Nanog通過在全局水平調控母源mRNA的翻譯控制從而促進卵子質量的新機制。該文被主編遴選為該期的研究亮點(Research Highlight),并配發題為“Nanog,不僅是一個多能性因子”的點評文章加以重點推薦。

            

          1 當期雜志以“Nanog,不僅是一個多能性因子”為題配發點評對孫永華團隊論文進行重點推薦 

            在前期研究中,該團隊利用斑馬魚模型,通過TALENs技術構建了重要母源因子Nanog的功能缺失突變體(He et al., Mutation Research, 2015),闡明了母源NanogTCF因子結合抑制母源β-catenin信號的全局性激活從而保護早期胚胎發育的新機制(He, et al, 2020, PLOS Biology)。然而,作為在卵子發生過程中即開始表達的重要母源基因(圖2A),Nanog在卵子發生過程中的調控作用依然未知。通過對nanog母源突變體的表型進行分析,該團隊發現缺失母源nanog導致早期胚胎嚴重敗育,突變體的卵子成熟出現嚴重缺陷(圖2)。 

            

          2 缺失母源nanog導致卵子成熟和早期胚胎發育缺陷   

            進一步的蛋白組和轉錄組研究發現,突變體卵子中的翻譯水平顯著上調,翻譯延伸因子eef1a1l2的轉錄水平顯著升高。在nanog突變體中敲除eef1a1l2,雙突變體的卵子中的翻譯活性顯著下調,卵子成熟缺陷得到明顯改善;更重要的是,早期胚胎發育的缺陷也得到了顯著的拯救(圖3)。 

            

          3 共敲除eef1a1l2可以拯救nanog突變體的卵子發生和早期胚胎發育缺陷 

            通過以上研究,該團隊發現了母源因子Nanog通過對母源mRNA的翻譯控制調控卵子發生和早期胚胎發育的新機制(圖4):在野生型卵子中,Nanog通過結合在翻譯延伸因子eef1a1l2的啟動子抑制其轉錄,以確保卵子中的翻譯活性處于正常水平,產生的卵子可正常受精并指導早期胚胎發育;在nanog突變體中,由于缺失了Nanogeef1a1l2的轉錄抑制作用,eef1a1l2在卵子中異常激活轉錄,導致卵子發生的翻譯機器異常激活,過量蛋白積累導致卵質變差,最終導致受精后的胚胎出現發育缺陷;當共敲除eef1a1l2之后,雙突變卵子中的翻譯機器恢復到正常水平,蛋白質表達過載得到緩解,卵質顯著提升,早期胚胎發育的缺陷也得到顯著的拯救。因此,該研究揭示了Nanog在卵子發生過程中作為轉錄抑制子抑制翻譯延伸因子eef1a1l2的轉錄,從而在全局水平上對卵子發生過程進行翻譯控制,促進卵子發生和早期胚胎的發育。 

            

          圖4 Nanog通過eef1a1l2調控卵子發生和早期胚胎發育的分子模型 

            值得一提的是,與眾多學者發現Nanog在合子基因激活時期扮演轉錄激活子的角色正好相反(Lee et al., Nature 2013; Veil et al., Genome Research 2019; Pálfy et al., PLOS Genetics 2020;Miao et al., Molecular Cell 2022),該研究發現Nanog在卵子發生的過程中扮演了轉錄抑制子的角色,提示Nanog作為一個先鋒因子(pioneer factor)在卵子發生和胚胎發育過程中完成了從一個轉錄抑制子向轉錄激活子的角色轉換(role switch)。 

            水生所何牡丹項目副研究員和博士生焦圣博為該文的共同第一作者,孫永華研究員為通訊作者,張茹博士、葉鼎副研究員及王厚鵬實驗師等參與了該項工作。這項研究得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金面上項目等資助。文中所產生的突變體,已保藏至國家水生生物種質資源庫國家斑馬魚資源中心。 

            文章鏈接:https://doi.org/10.1242/dev.201213 

            參考文獻: 

            1,He, M., Zhang, R., Jiao, S., Zhang, F., Ye, D., Wang, H., Sun, Y., 2020. Nanog safeguards early embryogenesis against global activation of maternal β-catenin activity by interfering with TCF factors. PLOS Biology 18, e3000561. 

            2,He, M.D., Zhang, F.H., Wang, H.L., Wang, H.P., Zhu, Z.Y., Sun, Y.H., 2015. Efficient ligase 3-dependent microhomology-mediated end joining repair of DNA double-strand breaks in zebrafish embryos. Mutat Res 780, 86-96. 

            3,Lee, M.T., Bonneau, A.R., Takacs, C.M., Bazzini, A.A., DiVito, K.R., Fleming, E.S., Giraldez, A.J., 2013. Nanog, Pou5f1 and SoxB1 activate zygotic gene expression during the maternal-to-zygotic transition. Nature 503, 360-364. 

            4,Miao, L., Tang, Y., Bonneau, A.R., Chan, S.H., Kojima, M.L., Pownall, M.E., Vejnar, C.E., Gao, F., Krishnaswamy, S., Hendry, C.E., Giraldez, A.J., 2022. The landscape of pioneer factor activity reveals the mechanisms of chromatin reprogramming and genome activation. Mol Cell 82, 986-1002 e1009. 

            5,Palfy, M., Schulze, G., Valen, E., Vastenhouw, N.L., 2020. Chromatin accessibility established by Pou5f3, Sox19b and Nanog primes genes for activity during zebrafish genome activation. PLOS Genet 16, e1008546. 

            6,Veil, M., Yampolsky, L.Y., Gruning, B., Onichtchouk, D., 2019. Pou5f3, SoxB1, and Nanog remodel chromatin on high nucleosome affinity regions at zygotic genome activation. Genome Res 29, 383-395 

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