清華新聞網(wǎng)12月18日電 卵母細(xì)胞是哺乳動(dòng)物體內(nèi)最大的細(xì)胞，其獨(dú)特的生長(zhǎng)模式依賴(lài)于發(fā)育過(guò)程中染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄大量的mRNA以合成大量的蛋白質(zhì)。生長(zhǎng)期卵母細(xì)胞的染色質(zhì)呈現(xiàn)非包繞核仁（non-surrounded nucleolus，NSN）的構(gòu)象：染色質(zhì)彌散且相對(duì)均勻分布在細(xì)胞核內(nèi)，具有高轉(zhuǎn)錄活性。隨著卵母細(xì)胞完成生長(zhǎng)，其染色質(zhì)會(huì)變得緊湊并轉(zhuǎn)變成包繞核仁（surrounded nucleolus，SN）的構(gòu)象，該過(guò)程伴隨著轉(zhuǎn)錄沉默的發(fā)生。自上世紀(jì)七十年代初科學(xué)家首次觀(guān)察到卵母細(xì)胞具有這兩種染色質(zhì)構(gòu)象后（圖1），已有一系列的研究證明SN型卵母細(xì)胞的發(fā)育潛能比NSN型的高，并嘗試通過(guò)多組學(xué)技術(shù)比較發(fā)現(xiàn)其中的分子差異。然而，干預(yù)這些過(guò)往被報(bào)道的差異分子并不能在卵母細(xì)胞里實(shí)現(xiàn)染色質(zhì)構(gòu)象的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，因此NSN向SN轉(zhuǎn)變?nèi)绾伟l(fā)生這一關(guān)鍵問(wèn)題亟待闡明。
圖1. 哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞的兩種染色質(zhì)構(gòu)象
12月12日，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院蘇俊實(shí)驗(yàn)室在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表了題為“RNA聚合酶II的自然降解對(duì)于卵母細(xì)胞染色質(zhì)重組和母體到合子的轉(zhuǎn)變是必不可少的”（Natural degradation of RNA polymerase II is essential for oocyte chromatin reorganization and maternal-to-zygotic transition）的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)發(fā)育過(guò)程中RNA聚合酶II的自然降解是卵母細(xì)胞染色質(zhì)從NSN轉(zhuǎn)變成SN構(gòu)象的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。
通過(guò)分選不同染色質(zhì)構(gòu)象的卵母細(xì)胞并進(jìn)行高分辨成像，研究人員首先系統(tǒng)比較了NSN型和SN型卵母細(xì)胞中大概30種不同核蛋白的染色強(qiáng)度與分布，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)核蛋白在SN型卵母細(xì)胞里被下調(diào)。為篩選能驅(qū)動(dòng)NSN向SN轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵核蛋白，研究人員采用小分子抑制劑與mRNA過(guò)表達(dá)的手段來(lái)模擬NSN向SN轉(zhuǎn)變過(guò)程中不同蛋白的變化，意外發(fā)現(xiàn)一種名為放線(xiàn)菌素D（ActD）的化學(xué)小分子可以瞬時(shí)誘導(dǎo)NSN向SN轉(zhuǎn)變。
ActD是一種DNA嵌入劑，可以同時(shí)抑制RNA聚合酶I和II。利用特異的RNA聚合酶I和II抑制劑，研究人員發(fā)現(xiàn)只有RNA聚合酶II（RNAPII）的抑制劑α-鵝膏蕈堿（α-amanitin）和雷公藤內(nèi)酯（triptolide）可以誘導(dǎo)NSN向SN轉(zhuǎn)變（圖2）。通過(guò)進(jìn)一步的表觀(guān)遺傳、高通量染色質(zhì)構(gòu)象捕獲和卵子發(fā)育潛能等測(cè)試，確認(rèn)了經(jīng)α-amanitin誘導(dǎo)出來(lái)的和自然的SN型卵母細(xì)胞高度相似。RNAPII是mRNA轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵酶。為了明確NSN向SN轉(zhuǎn)變是否直接由轉(zhuǎn)錄沉默所介導(dǎo)，研究人員采用了另一類(lèi)RNAPII抑制劑核苷類(lèi)似物直接終止其轉(zhuǎn)錄活動(dòng)。有趣的是，核苷類(lèi)似物可以有效地抑制轉(zhuǎn)錄但未能誘導(dǎo)NSN向SN轉(zhuǎn)變，說(shuō)明α-amanitin和triptolide經(jīng)其他途徑介導(dǎo)NSN向SN轉(zhuǎn)變。經(jīng)過(guò)一系列的排查，研究人員最終發(fā)現(xiàn)α-amanitin和triptolide實(shí)際上并不直接抑制轉(zhuǎn)錄，而是通過(guò)降解RNAPII而發(fā)揮其作用。
圖2. RNAPII抑制劑能體外誘導(dǎo)卵母細(xì)胞染色質(zhì)的NSN向SN轉(zhuǎn)變
要證明NSN向SN轉(zhuǎn)變與內(nèi)源RNAPII的蛋白水平相關(guān)，需要在卵母細(xì)胞里敲除或敲降RNAPII?？墒荝NAPII是細(xì)胞里的必需基因，無(wú)法通過(guò)遺傳學(xué)手段獲得RNAPII敲除的卵母細(xì)胞。為此，研究人員革新了2017年發(fā)表的Trim-Away急性蛋白去除技術(shù)，通過(guò)把單鏈抗體與Trim21 E3泛素化酶的RING結(jié)構(gòu)域融合開(kāi)發(fā)出了miniTrim-Away技術(shù)，克服了原技術(shù)不能靶向長(zhǎng)期滯留在核內(nèi)的蛋白的痛點(diǎn)。通過(guò)RNAPII的miniTrim-Away，研究人員成功在小鼠和人卵母細(xì)胞里瞬時(shí)降解內(nèi)源RNAPII并確立其降解驅(qū)動(dòng)NSN向SN轉(zhuǎn)變（圖3）。進(jìn)一步的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)亦發(fā)現(xiàn)NSN向SN轉(zhuǎn)變與RNAPII的天然降解有關(guān)，利用解折疊酶和蛋白酶體抑制劑可以在離體卵泡培養(yǎng)模型中阻止NSN向SN轉(zhuǎn)變的發(fā)生。
圖3.利用新開(kāi)發(fā)的miniTrim-Away技術(shù)降解內(nèi)源RNAPII并重現(xiàn)NSN向SN轉(zhuǎn)變的表型
為了深入解析RNAPII降解如何驅(qū)動(dòng)NSN向SN轉(zhuǎn)變，研究人員通過(guò)超分辨成像、CUT&Tag和磷酸酶抑制劑處理發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄活躍的磷酸化RNAPII會(huì)積累在染色質(zhì)并參與NSN向SN的轉(zhuǎn)變，而不活躍的非磷酸化RNAPII會(huì)游離在核質(zhì)。利用高速活細(xì)胞成像和均方位移分析，研究人員發(fā)現(xiàn)NSN型染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)的確比SN型的低。進(jìn)一步，研究人員通過(guò)過(guò)表達(dá)組蛋白H2B和錨定染色質(zhì)到核膜上這兩種不同限制染色質(zhì)動(dòng)態(tài)的方法，在功能層面上證明了約束染色質(zhì)的動(dòng)態(tài)可以阻止NSN向SN轉(zhuǎn)變時(shí)旁染色質(zhì)的凝聚。意外的是，這兩種干預(yù)并不影響核仁邊染色質(zhì)的凝聚，說(shuō)明在RNAPII降解的過(guò)程中有兩種不同的作用力驅(qū)動(dòng)NSN向SN轉(zhuǎn)變：一種是染色質(zhì)動(dòng)態(tài)恢復(fù)所產(chǎn)生的塌陷力，而另一種可能是與核仁表面有關(guān)的吸引力。通過(guò)向核內(nèi)注射核仁大小的無(wú)生物活性油滴和利用沒(méi)有核仁的Npm2條件敲除小鼠，研究人員最終發(fā)現(xiàn)RNAPII的降解同時(shí)會(huì)引發(fā)核仁表面蛋白的重塑，并提出哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞染色質(zhì)從NSN向SN轉(zhuǎn)變的完整模型（圖4）。
圖4.研究提出的哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞染色質(zhì)成熟的機(jī)制
綜上，該研究首次揭示卵母細(xì)胞染色質(zhì)成熟的機(jī)制：生長(zhǎng)過(guò)程中，RNAPII會(huì)經(jīng)非經(jīng)典的非泛素化依賴(lài)途徑逐漸被降解。隨著RNAPII從染色質(zhì)上被剝離，轉(zhuǎn)錄終止的同時(shí)會(huì)增加染色質(zhì)動(dòng)態(tài)和引發(fā)核仁表面重塑，繼而產(chǎn)生兩種不同的作用力驅(qū)動(dòng)NSN向SN轉(zhuǎn)變。若該過(guò)程受阻，受精卵的RNAPII蛋白水平和定位會(huì)出現(xiàn)異常，影響母源向合子轉(zhuǎn)變和后期早期胚胎發(fā)育。
清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院蘇俊實(shí)驗(yàn)室2021級(jí)博士生王靜為論文第一作者，清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)交叉研究院研究員蘇俊、黎斌和中南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院/中信湘雅生殖與遺傳專(zhuān)科醫(yī)院教授林戈為論文共同通訊作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、北京生命科學(xué)研究所、國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（海外）以及阿里巴巴達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-67476-z
供稿：生物醫(yī)學(xué)交叉研究院
編輯：李華山
審核：郭玲
