清華新聞網(wǎng)6月20日電 翻譯作為基因表達(dá)調(diào)控的重要一環(huán)在發(fā)育過(guò)程中起到了關(guān)鍵的作用。在哺乳動(dòng)物卵子和早期胚胎發(fā)育的過(guò)程中，從完全生長(zhǎng)的初級(jí)卵母細(xì)胞（full-grown oocyte, FGO）開(kāi)始直至合子基因組激活之前，細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄基本處于沉默的狀態(tài)。因此，在卵子向胚胎的轉(zhuǎn)變過(guò)程中（oocyte-to-embryo transition，OET），翻譯調(diào)控在卵子的減數(shù)分裂恢復(fù)過(guò)程、受精、DNA復(fù)制過(guò)程和合子基因組激活（zygotic genome activation，ZGA）都起到了重要作用。然而由于實(shí)驗(yàn)材料的稀缺，哺乳動(dòng)物卵子和胚胎中的翻譯研究一直相對(duì)困難。
6月13日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉教授課題組與中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所李磊教授課題組在《自然·細(xì)胞生物學(xué)》（Nature Cell Biology）期刊發(fā)表了題為“基于超靈敏Ribo-seq的卵子向胚胎轉(zhuǎn)換過(guò)程及著床前胚胎的翻譯組研究”（Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development）的研究論文。該研究開(kāi)發(fā)了超靈敏翻譯組檢測(cè)方法Ribo-lite，繪制了卵子向胚胎轉(zhuǎn)換過(guò)程和著床前胚胎的翻譯組動(dòng)態(tài)變化，并研究了卵子中的翻譯調(diào)控機(jī)制。這一研究有助于我們進(jìn)一步理解在發(fā)育早期翻譯水平的基因表達(dá)調(diào)控，該研究中發(fā)明的超靈敏翻譯組方法也為其他稀缺樣品的翻譯組研究提供了可能。
早期研究者使用多核糖體圖譜方法（polysome profiling）和Ribo-tag等方法對(duì)小鼠卵子和一細(xì)胞合子的翻譯組進(jìn)行了測(cè)量，而基于核糖體保護(hù)片段的Ribo-seq方法則由于所需樣品數(shù)量過(guò)多無(wú)法應(yīng)用于哺乳動(dòng)物卵子和早期胚胎當(dāng)中。在該研究過(guò)程中，作者通過(guò)開(kāi)發(fā)高靈敏的Ribo-seq方法——Ribo-lite，實(shí)現(xiàn)了在少量細(xì)胞水平的基于核糖體保護(hù)片段的翻譯組的測(cè)量（最少50個(gè)HEK293細(xì)胞或是單個(gè)卵子），并利用該技術(shù)系統(tǒng)地檢測(cè)了小鼠卵母細(xì)胞和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中的翻譯組的動(dòng)態(tài)變化。
小鼠卵子以及早期胚胎的翻譯組動(dòng)態(tài)變化以及調(diào)控
研究人員發(fā)現(xiàn)，在卵子和ZGA前的胚胎當(dāng)中，翻譯組與轉(zhuǎn)錄組的偶聯(lián)性相對(duì)較低，而在ZGA后的胚胎中，兩組數(shù)據(jù)則變得緊密相關(guān)。有兩類(lèi)基因受到了明顯的翻譯水平的調(diào)控，分別是OET上調(diào)基因和OET下調(diào)基因。OET上調(diào)基因在FGO中翻譯被抑制，并且維持著很短的poly(A)尾長(zhǎng)。這些基因中的3’UTR常含有兩個(gè)及以上的多聚腺苷酸化信號(hào)位點(diǎn)（polyadenylation signal site，PAS）近端胞質(zhì)多聚腺苷酸化元件(PAS-proximal CPEs，papCPE)，并且在報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)中顯示出對(duì)該元件的依賴(lài)。而伴隨著減數(shù)分裂的恢復(fù)，這些基因的poly(A)尾被延長(zhǎng)，翻譯也隨之激活。OET下調(diào)基因則在FGO卵子時(shí)期高翻譯并有著長(zhǎng)poly(A)尾，而隨著減數(shù)分裂的恢復(fù)被翻譯抑制，poly(A)尾也被縮短。這種翻譯抑制部分是通過(guò)去腺苷酸化因子BTG4和CNOT6L調(diào)控的。它們中的許多基因含有non-papCPE或者沒(méi)有CPE。這些基因中poly(A)尾在MII卵子中被去的很短的呈現(xiàn)出mRNA信號(hào)的下降，而poly(A)尾相對(duì)沒(méi)有被去的那么短的RNA則保持相對(duì)穩(wěn)定，其中部分在ZGA前重新被翻譯激活，暗示可能參與ZGA和母源RNA的降解。
綜上所述，該研究系統(tǒng)研究了卵子和早期胚胎中的翻譯組動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)了卵子向胚胎轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在著大量的翻譯調(diào)控事件，探討了翻譯、RNA水平和poly(A)尾長(zhǎng)水平之間的相互關(guān)系，以及去腺苷酸化因子在卵子翻譯組中發(fā)揮的功能，為進(jìn)一步研究哺乳動(dòng)物卵子和早期胚胎發(fā)育的基因表達(dá)調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院頡偉教授和中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所李磊教授為本文的共同通訊作者，清華大學(xué)生命學(xué)院PTN項(xiàng)目（北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京生命科學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項(xiàng)目）2016級(jí)博士生熊竹清，北京大學(xué)CLS項(xiàng)目（生命科學(xué)聯(lián)合中心博士研究生項(xiàng)目）2017級(jí)博士生許鍇，清華大學(xué)CLS博士后林自力（現(xiàn)為北京農(nóng)學(xué)院副教授），頡偉課題組科研助理孔鳳，清華大學(xué)CLS博士后王秋軍和李磊課題組2016級(jí)博士生全裕軍為本文共同第一作者。江蘇省農(nóng)業(yè)科院畜牧研究所王慧利副研究員，清華大學(xué)生命學(xué)院鄧海騰課題組、楊雪瑞課題組和浙江大學(xué)范衡宇課題組也在該工作中給予了大力的支持和幫助。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陸發(fā)隆研究員、劉玉勝博士和聶虎博士也在PAIso-seq實(shí)驗(yàn)和分析中給予了大力支持。
該課題得到了清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心，生物醫(yī)學(xué)測(cè)試中心基因測(cè)序平臺(tái)以及計(jì)算平臺(tái)的大力協(xié)助和支持。該研究獲得了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）、國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、北京市科技計(jì)劃、清華北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所國(guó)際研究學(xué)者（HHMI International Research Scholar)的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41556-022-00928-6
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：覃霞 李華山
審核：呂婷
