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范衡宇实验室在《自然 通讯》报道组蛋白H3K4me3修饰调控因子CFP1在卵母细胞减数分裂中的功能和调节机制

时间:2018年08月29日 访问次数:796

     2018年828日,范衡宇教授实验室在Nature Communications (《自然 通讯》)发表题为“CFP1 Coordinates Histone H3 Lysine-4 Trimethylation and Meiotic Cell Cycle Progression in Mouse Oocytes”的研究论文,首次报道了一个重要表观遗传调控因子CFP1在卵母细胞减数分裂过程中的功能及自身受到的调控。

     组蛋白甲基化的表观遗传修饰在生殖细胞发育和受精卵重编程过程中具有非常重要的作用。其中,组蛋白H34位赖氨酸的三甲基化修饰(H3K4me3)由于在基因组中分布广泛、功能重要,近年来尤其引起本领域的关注。以组蛋白甲基转移酶SETD1为核心组成的蛋白复合体是细胞中负责生成H3K4me3修饰的主要生物大分子。SETD1复合体中有一个非常重要的亚基CxxC Finger Protein-1CFP1,负责与DNA和修饰过的组蛋白结合,把SETD1引导到合适的基因组位置,介导在该染色质区域产生新的H3K4me3修饰。编码CFP1蛋白的基因Cxxc1被敲除的小鼠胚胎在发育第6-7天(刚刚植入子宫)即死亡,说明其功能非常重要,但也妨碍了人们详细研究该基因在生殖细胞发育中的功能。范衡宇教授实验室利用条件性基因敲除技术手段,在卵母细胞中特异性敲除了Cxxc1基因,发现Cxxc1敲除的卵母细胞中一些关键母源性基因的转录受阻,这些卵母细胞受精后不能完成合子激活,说明CFP1介导的H3K4me3修饰对卵母细胞发育潜能的建立至关重要,相关研究成果于2017年发表在Cell Reports上(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28768200)。

母源性CFP1在卵母细胞表观遗传修饰和建立发育潜能中的功能示意图

     在这篇新发表在Nature Communications上的论文中,范衡宇实验室报道,Cxxc1敲除的卵母细胞的减数分裂细胞周期进程不正常,包括纺锤体组装缺陷、染色体排列混乱、不能排出第一极体等等。这些现象不能完全由卵母细胞生长过程中积累的基因转录缺陷来解释,因为即使在那些已经充分发育、基因组不再具有转录活性的卵母细胞中抑制CFP1功能,也会造成减数分裂的紊乱。在进一步的机理研究中他们发现,CFP1介导的H3K4me3修饰是另一个细胞周期相关的组蛋白修饰——H3第三位苏氨酸磷酸化(H3T3ph)的前提,如果卵母细胞在进入减数分裂时基因组中H3K4me3积累不足,就会造成H3T3ph减少,染色体不能招募参与纺锤体组装的一系列关键蛋白分子,从而使细胞周期进程阻滞在减数第一次分裂的前中期。

Cxxc1基因敲除的卵母细胞具有减数分裂缺陷:纺锤体组装和染色体排列异常,不能排出第一极体(PB1

     该研究第一次证明组蛋白H3K4me3修饰对细胞周期进程具有直接调节作用,而不是通过间接调控基因转录施加影响。这得益于卵母细胞这一独特研究模型,因为在其他活跃增殖细胞类型中,基因组转录与细胞周期的G2-M期转换没有明显的分界,且分裂期极短(30分钟以内),无法排除某种组蛋白修饰对转录的影响而专门研究其在细胞分裂中的功能。而在充分生长的卵母细胞中,基因组转录活动已经终止,细胞周期停滞在减数第一次分裂前期,在培养系统中自发恢复减数分裂,细胞周期自然同步化,细胞体积大(直径70(小鼠)-160(猪)微米),分裂过程长(历时12(小鼠)-44(猪)小时),因此具有得天独厚的优势。

     在该研究中,课题组也首次发现,CFP1蛋白自身也受到细胞周期的紧密调控。当卵母细胞恢复减数分裂的2小时内CFP1就迅速发生泛素化降解;与此同时,细胞周期引擎激酶CDK1介导CFP1发生磷酸化修饰,降低了CFP1与组蛋白H3的结合能力。在磷酸化和泛素化的双重抑制作用下,迅速清除了与染色质结合的CFP1,并降低了基因组中的H3K4me3水平,从而使染色质能够排除上述蛋白造成的位阻效应,有效进行凝集。如果在卵母细胞中过表达不能降解、不能磷酸化的持续激活型CFP1,也会造成卵母细胞减数分裂和受精卵有丝分裂的紊乱,证明CFP1的双重抑制性调控具有重要的生理意义。进而研究者把这一观察延伸到体细胞中,在HeLa细胞中也观察到CFP1随着细胞进入分裂期而被降解清除、在退出有丝分裂后重新积累的现象,说明每一次细胞分裂都伴随着SETD1-CFP1复合体在整个基因组上重新定位、每一个细胞周期都是一个表观遗传修饰“重新洗牌”的过程,对今后的相关研究提供了一些概念性的思考。


A:持续激活型CFP1造成受精卵的卵裂过程异常,“→”和“ ”分别指示阻滞在1细胞和2细胞期的胚胎

B:CFP1在卵母细胞减数分裂过程中受到磷酸化、泛素化双重抑制性调控的示意图