当前位置:首页  首页  新闻通知

范衡宇、林戈课题组合作揭示翻译起始调控因子BZW1调控小鼠早期胚胎发育及致密化过程

时间:2022年11月05日 访问次数:180

植入前早期胚胎发育是卵裂球不断分裂并伴随着细胞分化的过程,该过程受到由母源遗传而来的蛋白质及胚胎基因组激活后新合成的蛋白质共同调控。伴随母源RNA和蛋白质降解,胚胎基因组的mRNA逐步表达出来,最终被翻译成蛋白质作为各种生命活动的执行者。而胚胎翻译调控是一个很复杂的过程,核糖体发生、mRNA的加尾、磷酸化信号通路的激活等,均会对翻译水平造成影响 (Dever & Green, 2012)。在翻译起始阶段,一般开放阅读框(ORF)由起始密码子AUG开始,结束于终止密码子(UAAUGAUAG)。而随着研究的深入,人们发现很多具有重要功能的蛋白表达是由非AUG起始的,而核糖体图谱分析结果更是展现了多种非AUG起始的情况 (Aitken & Lorsch, 2012)。并且不同起始密码子的起始效率不同,一般AUG起始效率最高,之后依次是CUGGCGACGAUU (Hernandez et al, 2019)。目前,大部分对翻译起始密码子选择性的探索都是以酵母或哺乳动物真核细胞作为研究对象,而专门针对早期胚胎发育过程中翻译起始调控的功能和机制研究并不多见。

1. BZW1水平下降影响小鼠早期胚胎发育

近日,我院范衡宇团队与中信湘雅生殖与遗传专科医院林戈团队在Nature Communications发表题为“Translation Regulatory Factor BZW1 Regulates Preimplantation Embryo Development and Compaction by Restricting Global non-AUG Initiation”的研究论文,报道了翻译起始调控因子BZW1basic leucine zipper and W2 domains 1)在小鼠早期胚胎发育过程中,通过维持翻译起始密码子选择的平衡来保障蛋白质的翻译水平,从而推动胚胎发育和致密化进程(1) 

正常情况下,翻译起始因子eIF5eIF2结合,参与形成eIF2·GTP·Met-tRNAiMet三聚体ternary complexTC,从而促进TCeIF1-eIF3形成多聚复合物,启动40S核糖体小亚基的招募,开启翻译 (Aitken & Lorsch, 2012)。BZW1以及其同源蛋白BZW2含有的HEAT domain能介导其与eIF2 相互作用,提示该分子具有调控翻译起始的潜能 (Singh et al, 2011)。为了探究BZW1/2对早期胚胎发育的影响,研究团队利用显微注射技术对小鼠受精卵中的该基因进行RNA干扰,发现Bzw1/2水平下降将导致胚胎发育受阻,无法发生致密化,最终囊胚形成率明显下降(图2

图2. BZW1对小鼠早期胚胎发育至关重要。Bzw1/2水平下降,导致早期胚胎发育受阻

致密化过程伴随胚胎卵裂球极化,EzrinERM蛋白家族的成员,是F-actin和质膜之间的桥连蛋白。Ezrin发挥桥连作用需要T567发生磷酸化。在早期8细胞胚胎中能检测到pEzrinT567,促进胚胎致密化和极化,在晚期8细胞胚胎中Ezrin分布在与相邻卵裂球不接触的表面,然后在致密化胚胎中分布于顶端(Dard et al, 2004)课题组发现当同一个胚胎一半的卵裂球中Bzw1受到干扰,这部分卵裂球便难以发生致密化(图3a-bpEzrinT567分布出现异常。以上结果说明BZW1在早期胚胎发育特别是致密化过程中发挥重要作用。

3. Bzw1水平下降阻碍了胚胎致密化过程。

a. 在二细胞胚胎的一个卵裂球中共注射mCherry mRNA和siBzw1,表达红色荧光的卵裂球中BZW1水平下降,体外培养72小时,绿色荧光表示在晚期8 cell中pEzrinT567 的分布。b. a图中I-III处mcherry强度与pEzrinT567强度间的关系。

翻译起始因子eIF5对开放阅读框起始密码子AUG和非AUG的选择调节作用 (Tang et al, 2017)。课题组在小鼠早期胚胎中证实,过表达eIF5将影响早期胚胎发育(图4a; BZW1通过其C端与eIF5竞争性地和PIC的组成成分eIF2结合(图4b-d,拮抗eIF5对非AUG翻译起始密码子选择。

图4 BZW1与eIF5竞争性地与PIC结合,调控早期胚胎发育。

a. eIF5单独过表达及其与BZW1或BZW1-7A共同过表达时的胚胎发育情况. b. eIF5与BZW1竞争性地与eIF2结合。c. BZW1 C端突变位点示意图。d. BZW1 C端突变后无法与eIF2结合。 

课题组通过这系列研究,从翻译起始密码子选择准确性的角度,以BZW1为切入口,探索了小鼠植入前胚胎中起始密码子选择偏好性与胚胎发育和致密化之间的关系。该研究提出在早期胚胎发育过程中,非AUG翻译起始的增多不利于胚胎发育,BZW1通过与eIF5竞争性地和PIC结合,拮抗翻译起始密码子的选择向非AUG偏移(图5)。由BZW1介导的起始密码子精准选择有助于促进胚胎基因组蛋白的翻译效率,保障早期胚胎的正常发育

 

5. BZW1 拮抗eIF5对非AUG翻译起始密码子的选择

林戈团队博士后张珏(范衡宇团队博士毕业生)、范衡宇团队博士生皮帅为本文共同第一作者。浙江大学生命科学研究院范衡宇教授与中信湘雅生殖与遗传专科医院林戈教授为本文共同通讯作者。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-34427-x

参考文献

Aitken CE, Lorsch JR (2012) A mechanistic overview of translation initiation in eukaryotes. Nature structural & molecular biology 19: 568-576

Dard N, Louvet-Vallee S, Santa-Maria A, Maro B (2004) Phosphorylation of ezrin on threonine T567 plays a crucial role during compaction in the mouse early embryo. Developmental biology 271: 87-97

Dever TE, Green R (2012) The elongation, termination, and recycling phases of translation in eukaryotes. Cold Spring Harbor perspectives in biology 4: a013706

Hernandez G, Osnaya VG, Perez-Martinez X (2019) Conservation and Variability of the AUG Initiation Codon Context in Eukaryotes. Trends in biochemical sciences 44: 1009-1021

Singh CR, Watanabe R, Zhou D, Jennings MD, Fukao A, Lee B, Ikeda Y, Chiorini JA, Campbell SG, Ashe MP, Fujiwara T, Wek RC, Pavitt GD, Asano K (2011) Mechanisms of translational regulation by a human eIF5-mimic protein. Nucleic acids research 39: 8314-8328

Tang L, Morris J, Wan J, Moore C, Fujita Y, Gillaspie S, Aube E, Nanda J, Marques M, Jangal M, Anderson A, Cox C, Hiraishi H, Dong L, Saito H, Singh CR, Witcher M, Topisirovic I, Qian SB, Asano K (2017) Competition between translation initiation factor eIF5 and its mimic protein 5MP determines non-AUG initiation rate genome-wide. Nucleic acids research 45: 11941-11953