清華新聞網(wǎng)12月9日電 在受精后的一段時(shí)間內(nèi)，幾乎所有后生動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育，完全依賴(lài)于卵子提供的母源RNA和蛋白，之后發(fā)生合子基因組激活（ZGA），胚胎發(fā)育逐漸過(guò)渡到依賴(lài)合子基因組產(chǎn)物，這一過(guò)程稱(chēng)為母源合子轉(zhuǎn)換（MZT）。這一過(guò)程中，高度特化的雌雄配子融合并逐漸轉(zhuǎn)化為具有全能性的早期胚胎細(xì)胞，因此了解ZGA發(fā)生的調(diào)控機(jī)制，有利于理解胚胎、腫瘤細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞維持其廣泛發(fā)育潛能的機(jī)理，為再生醫(yī)學(xué)等的研究提供理論指導(dǎo)。
12月8日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心孟安明院士課題組在《細(xì)胞》（Cell）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“核孔復(fù)合體綜合成熟度調(diào)控合子基因組激活”（Comprehensive maturity of nuclear pore complexes regulates zygotic genome activation）的研究長(zhǎng)文。該研究以斑馬魚(yú)為模式動(dòng)物，首次提出了核孔復(fù)合體綜合成熟度是合子基因組激活的分子時(shí)鐘這一嶄新調(diào)控機(jī)制。在斑馬魚(yú)早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，核孔復(fù)合體組成蛋白種類(lèi)、分子數(shù)、整個(gè)復(fù)合體的大小等逐漸增加，從而逐漸增強(qiáng)了核孔對(duì)母源轉(zhuǎn)錄因子的細(xì)胞核轉(zhuǎn)運(yùn)能力，當(dāng)母源轉(zhuǎn)錄因子在細(xì)胞核中的量達(dá)到閾值時(shí)可激活合子基因組中靶基因的表達(dá)。
目前合子基因組激活的調(diào)控機(jī)制主要存在兩種模型：核質(zhì)比模型和母源時(shí)鐘模型。前者認(rèn)為，隨著胚胎發(fā)育，細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄抑制因子逐漸稀釋?zhuān)?dāng)稀釋到一定濃度時(shí)失去抑制作用，合子基因的轉(zhuǎn)錄就啟動(dòng)。后者認(rèn)為，早期胚胎細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄因子量太低，不足以啟動(dòng)合子基因轉(zhuǎn)錄，隨著發(fā)育，其量逐漸增加，直到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到啟動(dòng)合子基因轉(zhuǎn)錄的閾值。斑馬魚(yú)母源轉(zhuǎn)錄因子如Nanog、Pou5f1、Sox19b和Eomesa等是啟動(dòng)合子基因組轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，它們?cè)谑芫阎芯鸵汛罅看嬖?，現(xiàn)有的理論難以解釋其延遲啟動(dòng)ZGA的事實(shí)。核孔復(fù)合體作為各種轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)運(yùn)入核的共同通道，其變化可廣泛影響不同轉(zhuǎn)錄因子的入核，因而可能是ZGA發(fā)生的潛在調(diào)控因素。
該研究通過(guò)定量質(zhì)譜結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)早期胚胎發(fā)育過(guò)程中，與ZGA相關(guān)的母源轉(zhuǎn)錄因子的入核逐漸增加，在MBT之后達(dá)到最大值，并且mRNA翻譯積累、出核轉(zhuǎn)運(yùn)或被動(dòng)擴(kuò)散等并不是關(guān)鍵的調(diào)控因素。核孔復(fù)合體一般被認(rèn)為是細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的唯一通道，其在斑馬魚(yú)早期胚胎中的轉(zhuǎn)運(yùn)能力逐漸增強(qiáng)，并且其組成、大小和成熟核孔比例等總體上逐漸增加，即核孔復(fù)合體綜合成熟度（CNM）逐漸增加。通過(guò)遺傳敲除或過(guò)表達(dá)部分核孔蛋白基因，可改變斑馬魚(yú)早期胚胎中核孔復(fù)合體的組裝，并相應(yīng)地干擾或促進(jìn)了母源轉(zhuǎn)錄因子的入核及ZGA的發(fā)生?；诖耍撗芯刻岢鯟NM通過(guò)介導(dǎo)母源轉(zhuǎn)錄因子入核而調(diào)控ZGA發(fā)生，即在受精后的前五次卵裂過(guò)程中，CNM很低，只有很少量的轉(zhuǎn)錄因子能入核，因而無(wú)合子基因的表達(dá)；此后大約在128細(xì)胞期，CNM達(dá)到第一個(gè)閾值，細(xì)胞核中母源轉(zhuǎn)錄因子的量可以激活少量合子基因的表達(dá)（minor ZGA）；當(dāng)胚胎發(fā)育至MBT時(shí)期（大約1k細(xì)胞期），CNM達(dá)到第二個(gè)閾值，此時(shí)母源轉(zhuǎn)錄因子大量入核，并激活大量合子基因的表達(dá)（major ZGA），因此CNM可以看做是ZGA發(fā)生的分子時(shí)鐘。該研究為ZGA的發(fā)生機(jī)制提供了全新的解釋機(jī)制；同時(shí)也為核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能研究提供了新的著手點(diǎn)。
核孔復(fù)合體綜合成熟度調(diào)控合子基因組激活
清華大學(xué)生命學(xué)院孟安明院士為本文通訊作者，清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心2013級(jí)博士生（已畢業(yè)）、現(xiàn)清華大學(xué)生命學(xué)院博士后沈煒敏為第一作者。清華大學(xué)生命學(xué)院助理研究員吳小童博士對(duì)本文的生物信息學(xué)分析提供了重要幫助。課題組已畢業(yè)博士生龔波、幸岑璨、張琳、孫嘉偉、晏璐、陳露西和姚理坤以及2018級(jí)博士生李光遠(yuǎn)也參與了部分實(shí)驗(yàn)工作。
本項(xiàng)研究的質(zhì)譜部分由清華大學(xué)生命學(xué)院鄧海騰教授課題組陳宇凌博士和楊常美博士完成。清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心細(xì)胞生物學(xué)平臺(tái)、尼康影像中心、共享儀器平臺(tái)，膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)、冷凍電鏡平臺(tái)為本研究提供了設(shè)備或技術(shù)支持。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.011
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
