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生命学院孟安明课题组报道核孔复合体综合成熟度调控合子基因组激活的新机理

2022-12-09 11:48:16

在受精后的一段时间内,几乎所有后生动物的早期胚胎发育,完全依赖于卵子提供的母源RNA和蛋白,之后发生合子基因组激活(ZGA),胚胎发育逐渐过渡到依赖合子基因组产物,这一过程称为母源合子转换(MZT)。这一过程中,高度特化的雌雄配子融合并逐渐转化为具有全能性的早期胚胎细胞,因此了解ZGA发生的调控机制,有利于理解胚胎、肿瘤细胞或诱导多能干细胞维持其广泛发育潜能的机理,为再生医学等的研究提供理论指导。

2022年12月8日,银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store/膜生物学国家重点实验室/清华-北大生命科学联合中心孟安明课题组在《细胞》(Cell)杂志在线发表题为“核孔复合体综合成熟度调控合子基因组激活”(Comprehensive maturity of nuclear pore complexes regulates zygotic genome activation)的研究长文。该研究以斑马鱼为模式动物,首次提出了核孔复合体综合成熟度是合子基因组激活的分子时钟这一崭新调控机制。在斑马鱼早期胚胎发育过程中,核孔复合体组成蛋白种类、分子数、及整个复合体的大小等逐渐增加,从而逐渐增强了核孔对母源转录因子的细胞核转运能力,当母源转录因子在细胞核中的量达到阈值时可激活合子基因组中靶基因的表达。

目前合子基因组激活的调控机制主要存在两种模型:核质比模型和母源时钟模型。前者认为,随着胚胎发育,细胞中的转录抑制因子逐渐稀释,当稀释到一定浓度时失去抑制作用,合子基因的转录就启动。后者认为,早期胚胎细胞中的转录因子量太低,不足以启动合子基因转录,随着发育,其量逐渐增加,直到某个时间点达到启动合子基因转录的阈值。斑马鱼母源转录因子如Nanog、Pou5f1、Sox19b和Eomesa等是启动合子基因组转录的关键转录因子,它们在受精卵中就已大量存在,现有的理论难以解释其延迟启动ZGA的事实。核孔复合体做为各种转录因子转运入核的共同通道,其变化可广泛影响不同转录因子的入核,因而可能是ZGA发生的潜在调控因素。

该研究通过定量质谱结合细胞生物学和生物化学实验验证,发现斑马鱼早期胚胎发育过程中,与ZGA相关的母源转录因子的入核逐渐增加,在MBT之后达到最大值,并且mRNA翻译积累、出核转运或被动扩散等并不是关键的调控因素。核孔复合体一般被认为是细胞核与细胞质进行物质转运的唯一通道,其在斑马鱼早期胚胎中的转运能力逐渐增强,并且其组成、大小和成熟核孔比例等总体上逐渐增加,即核孔复合体综合成熟度(CNM)逐渐增加。通过遗传敲除或过表达部分核孔蛋白基因,可改变斑马鱼早期胚胎中核孔复合体的组装,并相应地干扰或促进了母源转录因子的入核及ZGA的发生。基于此,该研究提出CNM通过介导母源转录因子入核而调控ZGA发生,即在受精后的前五次卵裂过程中,CNM很低,只有很少量的转录因子能入核,因而无合子基因的表达;此后大约在128细胞期,CNM达到第一个阈值,细胞核中母源转录因子的量可以激活少量合子基因的表达(minor ZGA);当胚胎发育至MBT时期(大约1k细胞期),CNM达到第二个阈值,此时母源转录因子大量入核,并激活大量合子基因的表达(major ZGA),因此CNM可以看做是ZGA发生的分子时钟。该研究为ZGA的发生机制提供了全新的解释机制;同时也为核孔复合体的结构与功能研究提供了新的着手点。

核孔复合体综合成熟度调控合子基因组激活

清华大学生命学院孟安明院士为本文通讯作者,清华-北大生命科学联合中心2013级博士生(已毕业),现清华大学生命学院博士后沈炜敏为第一作者。清华大学生命学院助理研究员吴小童博士对本文的生物信息学分析提供了重要帮助。课题组已毕业博士生龚波、幸岑璨、张琳、孙嘉伟、晏璐、陈露西和姚理坤以及2018级博士生李光远也参与了部分实验工作。该项研究的质谱部分由清华大学生命学院邓海腾教授课题组陈宇凌博士和杨常美博士完成。清华大学生物医学测试中心细胞生物学平台、尼康影像中心、共享仪器平台;膜生物学国家重点实验室平台;清华大学蛋白质研究技术中心蛋白质化学与组学平台、冷冻电镜平台为本研究提供了设备或技术支持。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发专项、膜生物学国家重点实验室、清华-北大生命科学联合中心的经费支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.011