【引言】生命起始于受精，而“母源-合子”转换（maternal-zygotic transition, MZT）是早期胚胎发育过程中首个关键的发育转变。在哺乳动物卵母细胞生长过程中，大量母源mRNA被转录并储存于胞质中，为后续转录沉默的减数分裂、受精和早期胚胎发育提供关键的物质基础。在MZT过程中，卵母细胞中储存的母源mRNA发生选择性、时序性降解及合子基因组激活（zygotic genome activation, ZGA）。母源转录本清除与合子基因组激活在时间和功能上的精密协调，共同推动胚胎发育程序由母源调控向合子自主调控转变，是保障早期胚胎正常发育的关键。
【研究背景】mRNA poly(A)尾的去除，即去腺苷酸化（deadenylation），是启动mRNA降解的第一步。在哺乳动物细胞中，PAN2-PAN3和CCR4-NOT是两类主要的去腺苷酸化复合体，分别介导较长和较短poly(A)尾的逐步缩短[1]。在MZT过程中，母源mRNA需要被及时、选择性清除，以实现胚胎发育调控权由母源程序向合子基因组的顺利交接。领域内此前的研究已证实，BTG4[2]和CNOT6L[3]能够招募或介导CCR4-NOT复合体，在MZT不同阶段执行母源mRNA的去腺苷酸化与降解。然而，作为去腺苷酸化级联反应上游的重要复合体，PAN2–PAN3如何启动长poly(A)尾的缩短，以及这一过程在哺乳动物早期发育中的生理意义，长期以来并不清楚。
PAN2是PAN2–PAN3复合体中的核心催化亚基，虽然其去腺苷酸化活性已被认识多年，但其在卵母细胞成熟及早期胚胎发育中的体内功能仍缺乏系统研究。尤其是在卵母细胞向胚胎过渡这一转录高度受限、发育主要依赖既存母源mRNA调控的特殊时期，PAN2是否参与母源转录本清除、如何决定不同转录本的稳定性及清除时机，以及其底物选择性如何建立，均是亟待回答的重要科学问题。
范衡宇教授团队长期致力于哺乳动物生殖发育的转录后调控研究。此前，该团队已在雄性生殖系统中揭示PAN2的重要功能（Nature Communications, 2026）。研究发现，Pan2缺失导致圆形精子向长形精子分化受阻，并最终造成雄性不育。机制研究进一步表明，在精子发生过程中转录与翻译时空解偶联的特殊生理背景下，PAN2通过维持mRNA poly(A)尾稳态，参与调控转录本的翻译效率。然而，在雌性生殖中，尤其是卵母细胞向早期胚胎过渡这一转录沉默的关键窗口，PAN2是否以及如何参与母源mRNA降解仍属未知。近日，该团队在Science Bulletin期刊发表题为Maternal PAN2 selectivelymaintains mRNA Poly(A) tail homeostasis to regulate RNA degradationduring oocyte-to-early embryo transition in mice 的最新研究,首次系统揭示去腺苷酸化酶PAN2在卵母细胞向早期胚胎发育过程中发挥不可或缺的生理功能—通过精准修剪mRNA的poly(A)尾巴调控母源转录本的稳定性与清除时序之间的动态平衡，并促进受精后母源mRNA的及时清除，从而为合子基因组激活及后续胚胎发育创造适宜的分子环境。该研究首次证明，PAN2对poly(A)尾长度的精细调控是胚胎顺利通过2细胞期的“稳衡器”，为理解哺乳动物早期胚胎发育的转录后调控机制提供了全新视角。
【核心发现】 PAN2启动长poly(A)尾的去腺苷酸化级联反应
本研究利用卵母细胞特异性Pan2敲除小鼠模型，并结合poly(A)尾全长转录本测序（PAIso-seq2）、转录组测序（Smart-seq2）、超灵敏蛋白质组学等微量检测技术，从生理功能、转录本稳定性及poly(A)尾动态等多个层面，系统解析了PAN2在母源-合子转换过程中的作用及其分子机制。
1. PAN2的翻译受3'-UTR精密调控，在卵母细胞成熟过程中发生时序性翻译激活
研究发现，Pan2 mRNA在GV期卵母细胞中已大量存储，但PAN2蛋白直到减数第二次分裂中期（MII）才显著升高, 提示Pan2主要受到转录后水平的翻译调控。进一步研究发现，这一时序性翻译激活由Pan2 mRNA 3'-UTR中多聚腺苷酸化信号（polyadenylation signal，PAS）和胞质多聚腺苷酸化元件（cytoplasmic polyadenylation element，CPE）协同控制。其中，CPE在GV期抑制Pan2 mRNA翻译，减数分裂恢复后则促进翻译从而使大量预先储存的Pan2 mRNA能够在特定发育阶段迅速转化为PAN2蛋白。这种由3′-UTR顺式调控元件构成的“分子定时器”，将PAN2蛋白的产生精准限定于卵母细胞成熟及受精前后的关键时间窗口，为随后启动母源mRNA长poly(A)尾的去腺苷酸化程序奠定了基础。
2. 母源Pan2缺失导致受精后胚胎发育阻滞于2细胞期
为进一步明确PAN2在卵母细胞成熟和早期胚胎发育中的生理功能，研究团队构建了卵母细胞特异性Pan2敲除小鼠（ Gdf9-Cre介导，如下简称Pan2 cKO），发现Pan2 cKO雌鼠的卵母细胞成熟和排卵均未受到明显影响；然而，这些卵子受精后形成的胚胎大多停滞在2细胞期，难以继续发育至4细胞期及后续阶段。表明母源PAN2是早期胚胎跨越2细胞期发育障碍所必需的关键因子。EU和HPG染色显示，敲除胚胎的整体转录和翻译水平均显著下降。
3. PAN2缺失导致母源mRNA异常积累和ZGA失败
转录组分析显示，Pan2缺失在2-细胞期引起1,668个基因异常上调、1,815个基因异常下调。其中，73.94%的下调基因属于本该在2-细胞期激活的ZGA基因，而上调基因中63.25%属于本该被降解的母源mRNA。这表明PAN2缺失同时抑制了母源mRNA的清除和合子基因组的正常激活，最终导致ZGA受损并造成胚胎2细胞期阻滞。
4. PAN2通过PAN3-PABPC1桥接复合体识别底物，偏好低G高U的poly(A)尾
已经有研究表明其实poly(A)尾部可以含有鸟苷酸（G）和尿苷酸（U），TUT4/7介导尿苷化[4]，而TENT4A/B结合G形成“混合尾部”[5]。PAIso-seq2分析揭示了PAN2底物的分子特征：其靶标mRNA的poly(A)尾几乎不含鸟苷酸（G），但富含尿苷酸（U）。含有G的poly(A)尾（即TENT4A/B介导的“混合尾”）的基因中，83.99%在PAN2缺失后转录水平保持稳定，表明G修饰可保护mRNA免受PAN2介导的降解。这一选择性识别机制揭示了mRNA差异降解的底层“密码”。
更重要的是，PAN2并非单独识别底物，而是通过PAN3作为分子桥同时结合PAN2（通过KNOB结构域）和PABPC1（通过PAM2结构域），形成PAN2-PAN3-PABPC1三元复合体。这一复合体确保PAN2被特异性招募到结合了多个PABPC1分子的长poly(A)尾上。
5. PAN2缺失导致异常蛋白积累并干扰胚胎发育
质谱分析显示，PAN2缺失导致490种蛋白在2-细胞期异常上调，其中37.55%来自本该在合子期被降解的转录本。代表性蛋白BTG4和DIRAS2在野生型2-细胞期几乎检测不到，但在PAN2敲除胚胎中异常积累。在野生型受精卵中注射Btg4或Diras2 mRNA可显著降低囊胚率，将poly(A)尾稳态失调与特定蛋白积累引发的“发育毒性”直接关联。从调控网络来看，PAN2调控的基因集与TUT4/7-DIS3L2介导的尿苷化降解通路高度重叠，但与LC3B介导的自噬mRNA降解途径几乎不重叠，凸显了PAN2在母源mRNA清除中独特且不可代偿的地位。
6. 全身性Pan2敲除揭示PAN2功能不局限于MZT过程
为进一步探究PAN2介导的 poly（A）尾调控是否具有超越MZT的广泛生理意义，除了卵母细胞特异性敲除模型外，研究团队还构建了全身性Pan2敲除小鼠。与母源敲除在植入前即发生发育阻滞不同，全身性Pan2敲除胚胎可以在母源PAN2蛋白支持下完成植入前发育，但会发生围产期致死，并伴有严重的心脏发育异常，其中一个突出表型为心肌壁显著变薄。这一结果表明，PAN2介导的去腺苷酸化活性并非仅在MZT过程中发挥作用。在胚胎中后期的器官发生阶段，PAN2同样承担重要功能。
图1. 母源PAN2缺失导致胚胎发育阻滞在2细胞期。
1.提出“mRNA级联降解”调控新概念：本研究与团队此前围绕BTG4-CCR4-NOT（2016，Nature Structural & Molecular Biology）、CNOT6L（2018， The EMBO Journal）、PABPN1L（2020，EMBO Reports）、TUT4/7-DIS3L2（2019，Nucleic Acids Research；2020，Nature Communications）等一系列工作共同构建了母源mRNA级联降解的完整调控图景（图2）：
1）PAN2-PAN3启动长poly(A)尾的初始去腺苷酸化，偏好低G高U的poly(A)尾组成；
2）BTG4招募CCR4-NOT（含CNOT6L/CNOT7）接手进一步缩短poly(A)尾；
3）TUT4/7对剩余短尾mRNA进行末端尿苷化修饰；
4）DIS3L2识别尿苷化修饰并介导最终降解。
这一“阶段特异性、尾组成依赖性”的降解酶级联反应，确保了母源mRNA在正确的时间、以正确的速率被清除，为ZGA的精确启动铺平道路。
2.该研究与团队近期在雄性生殖细胞发育中的工作[6]共同证明PAN2-PAN3通过维持poly(A)尾稳态在哺乳动物生殖细胞中发挥重要功能。
图2. PAN2调控早期胚胎发育的模式图
该图展示了PAN2在卵母细胞至早期胚胎发育过程中的动态调控模型：
1. GV卵母细胞→MII卵母细胞：PAN2的3′-UTR在卵母细胞成熟过程中被激活，PAN2蛋白在MII期卵母细胞中表达上调，为受精后的mRNA降解清除做准备。
2. 受精后→2细胞期：受精后，PAN2-PAN3复合体与CCR4-NOT复合体协同工作，启动母源mRNA的去腺苷酸化级联降解。PAN2通过PAN3-PABPC1桥接复合体识别底物，优先靶向poly(A)尾缺乏G但富含U的转录本。
3. PAN2缺失的后果：母源mRNA poly(A)尾稳态失调→mRNA异常积累→蛋白质水平异常升高→合子基因组激活（ZGA）受损→胚胎停滞于2细胞期。
我院范衡宇教授为本文通讯作者，博士生吴璇为第一作者。中科院遗传发育所陆发隆研究员、浙江大学医学院嵇姝妍研究员为共同通讯作者。实验室已毕业博士生张华、吴雨珂、陈露也对该研究作出贡献。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927326009412
