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范衡宇实验室在Nucleic Acids Research报道ZAR1和ZAR2在卵母细胞中对母源转录组稳定性和mRNA翻译激活的调节机制

时间:2019年10月14日 访问次数:273

   20191010日,浙江大学生命科学研究院范衡宇教授实验室在Nuclear Acids Research上发表研究论文“ZAR1 and ZAR2 are required for oocyte meiotic maturation by regulating the maternal transcriptome and mRNA translational activation,报道了母源性因子ZAR1ZAR2对卵母细胞转录组稳定性和mRNA翻译激活的调节作用,以及这两个蛋白在卵母细胞减数分裂进程中的重要功能。

卵母细胞与其他细胞不同,在卵泡发育过程中,卵母细胞迅速生长体积增大伴随着急剧活跃的转录活动。当生长到有腔卵泡阶段后转录终止,这些mRNA需要被维持数天,保持稳定,而且暂时不被用于翻译。直到每个性周期到来,在脑垂体促性腺激素峰的刺激作用下,卵母细胞恢复减数分裂,这时候卵胞质中储存的mRNA才开始有序地分批次被翻译加工,用以支持卵母细胞的减数分裂和早期胚胎的发育过程,从而完成母体-胚胎转换。由于卵母细胞发育的特殊性,进一步研究清楚维持mRNA稳定和促进翻译激活的机制,对于卵母细胞和早期胚胎发育的机理研究以及辅助生殖临床实践都至关重要。

母源效应基因是指基因产物存在于卵细胞质中,不影响卵子成熟但是对于受精后早期胚胎发育过程具有影响。Zygote arrest-1 (ZAR1)是本世纪初在哺乳动物中被发现的一个母源效应基因,名字也由此而来。Zar1基因敲除的小鼠表现为雌性不育,形成的胚胎不能发生卵裂,大多阻滞在受精卵时期。因此人们认为其在卵子向合子转变过程中十分重要。然而,Zar1在卵子中真正的分子作用机制二十多年来一直未被阐明。此外,Zar1还有一个表达模式相似的同源基因Zar2,二者编码的蛋白在C端均具有保守的RNA结合结构域。之前有报道称,在受精卵中过表达ZAR2C端会导致2-细胞期的阻滞。然而,ZAR2在体内的生理功能从未被探究。

为了进一步研究ZAR1ZAR2的体内功能,范衡宇研究团队构建了Zar1Zar2单敲除以及Zar1/2双敲除小鼠,证明了Zar1Zar2潜在的互补功能:尽管Zar2单独敲除后没有明显的表型,但是它的敲除会加重Zar1单敲除的表型。Zar1/2双敲除的卵母细胞展现出单敲除未曾出现的严重的减数分裂异常的表型(图1)。首次证明了ZAR1/2并非以往认为的母源效应因子,它们早在卵母细胞成熟过程中就发挥了重要功能。母源性Zar1缺失的胚胎所表现的发育阻滞的表型是前期减数分裂缺陷的后续影响。


1:卵母细胞体外培养实验表明,Zar1/2敲除小鼠的卵母细胞无法排出第一极体(PB1)并发育为成熟的卵子。


具体研究其机制发现,Zar1/2双敲除的卵母细胞与野生型的卵母细胞相比,转录活动不受影响,但是卵胞质中储存的母源mRNA却明显减少,而且恢复减数分裂后,许多减数分裂相关的重要因子如与细胞周期相关的cyclin B1WEE2、与纺锤体形成相关的TPX2以及对卵母细胞到胚胎转变(MZT)过程中母源mRNA降解十分重要的BTG4,由于其mRNA不能被聚腺苷酸化仍然无法被正常翻译出来。ZAR1/2除了直接与RNA结合进行调节之外,还可与其他RNA结合蛋白互作,如与mRNA稳定性相关的MSY2和胞质晶格成分,共同调节母源转录组的稳定性(图2)。因此,ZAR1/2通过维持卵母细胞转录组稳定性和mRNA翻译激活决定卵母细胞成熟和母体-胚胎转换。



2ZAR1/2调节母源转录组的稳定性和翻译激活。


该研究回答了哺乳动物雌性生殖领域长期以来悬而未解的ZAR1作用机制问题,创新性地提出ZAR1/2在卵母细胞中调控母源转录组稳定性和mRNA翻译,保证了卵母细胞减数分裂以及早期胚胎发育的顺利进行。范衡宇实验室直博生戎妍和毕业生嵇姝妍博士为本文共同第一作者,范衡宇教授和嵇姝妍博士为共同通讯作者。


原文链接:

https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkz863/5584529