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生命学院颉伟与中科院动物所李磊合作揭示哺乳动物卵子以及早期胚胎翻译组
2022/09/07 145

翻译作为基因表达调控的重要一环在发育过程中起到了关键的作用。在哺乳动物卵子和早期胚胎发育的过程中,从完全生长的初级卵母细胞开始直至合子基因组激活之前,细胞的转录基本处于沉默的状态。因此,在卵子向胚胎的转变过程中(oocyte-to-embryo transition,OET),翻译调控在卵子的减数分裂恢复过程,受精,DNA复制过程和合子基因组激活(zygotic genome activation,ZGA)都起到了重要作用。然而由于实验材料的稀缺,哺乳动物卵子和胚胎中的翻译研究一直相对困难。

2022年6月13日,清华大学生命学院颉伟课题组与中国科学院动物研究所李磊课题组在《自然-细胞生物学》期刊报道了题为“基于超灵敏Ribo-seq的卵子向胚胎转换过程及着床前胚胎的翻译组研究”(Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development)的研究论文。该研究开发了超灵敏翻译组检测方法Ribo-lite,绘制了卵子向胚胎转换过程和着床前胚胎的翻译组动态变化,并研究了卵子中的翻译调控机制。这一研究有助于我们进一步理解在发育早期翻译水平的基因表达调控,该研究中发明的超灵敏翻译组方法也为其他稀缺样品的翻译组研究提供了可能。

早期人们使用多核糖体图谱方法(polysome profiling)(Chen et al., 2011; Potireddy et al., 2006; Sha et al., 2018; Masek et al., 2020)和Ribo-tag等方法(Luong et al., 2020)对小鼠卵子和一细胞合子的翻译组进行了测量,而基于核糖体保护片段的Ribo-seq方法则由于所需样品数量过多无法应用于哺乳动物卵子和早期胚胎当中(今年2月份哈佛张毅研究组报道了利用Ribo-lace方法优化的LiRibo-seq方法研究小鼠早期胚胎翻译组(Zhang et al., 2022))。在该研究过程中,作者通过开发高灵敏的Ribo-seq方法——Ribo-lite,实现了在少量细胞水平的基于核糖体保护片段的翻译组的测量(最少50个HEK293细胞或是单个卵子),并利用该技术系统的检测了小鼠卵母细胞和早期胚胎发育过程中的翻译组的动态变化。

研究人员发现,在卵子和ZGA前的胚胎当中,翻译组与转录组的偶联性相对较低,而在ZGA后的胚胎中,两组数据则变得紧密相关。有两类基因受到了明显的翻译水平的调控,分别是OET上调基因和OET下调基因。OET上调基因在FGO中翻译被抑制,并且维持着很短的poly(A)尾长。这些基因中的3’UTR常含有两个及以上的多聚腺苷酸化信号位点(polyadenylation signal site,PAS)近端胞质多聚腺苷酸化元件(PAS-proximal CPEs,papCPE),并且在报告基因实验中显示出对该元件的依赖。而伴随着减数分裂的恢复,这些基因的poly(A)尾被延长,翻译也随之激活。OET下调基因则在FGO卵子时期高翻译并有着长poly(A)尾,而随着减数分裂的恢复被翻译抑制,poly(A)尾也被缩短。这种翻译抑制部分是通过去腺苷酸化因子BTG4和CNOT6L调控的。它们中的许多基因含有non-papCPE或者没有CPE。这些基因中poly(A)尾在MII卵子中被去的很短的呈现出mRNA信号的下降,而poly(A)尾相对没有被去的那么短的RNA则保持相对稳定,其中部分在ZGA前重新被翻译激活,暗示可能参与ZGA和母源RNA的降解。

小鼠卵子以及早期胚胎的翻译组动态变化以及调控


综上所述,该研究系统研究了卵子和早期胚胎中的翻译组动态变化,发现了卵子向胚胎转化过程中存在着大量的翻译调控事件,探讨了翻译、RNA水平和poly(A)尾长水平之间的相互关系, 以及 去腺苷酸化因子在卵子翻译组中发挥的功能,为进一步研究哺乳动物卵子和早期胚胎发育的基因表达调控奠定了基础。

清华大学生命科学学院颉伟教授和中国科学院动物研究所李磊教授为本文的共同通讯作者,清华大学生命学院PTN项目2016级博士生熊竹清,北京大学CLS项目2017级博士生许锴,清华大学CLS博士后林自力(现为北京农学院副教授),颉伟实验室科研助理孔凤,清华大学CLS博士后王秋军和李磊实验室2016级博士生全裕军为本文共同第一作者。江苏农科院动物科学研究所王慧利副研究员,清华大学生命学院邓海腾课题组,杨雪瑞课题组和浙江大学范衡宇课题组也在该工作中给予了大力的支持和帮助。中国科学院遗传与发育生物学研究所陆发隆研究员、刘玉胜博士和聂虎博士也在PAIso-seq实验和分析中给予了大力支持。该课题得到了清华大学实验动物中心,生物医学测试中心基因测序平台以及计算平台的大力协助和支持。该研究获得了国家科技部重点研发计划、国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金委杰出青年基金、北京市科技计划、清华北大生命科学联合中心以及美国霍华德休斯医学研究所国际研究学者(HHMI International Research Scholar) 的经费支持。


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41556-022-00928-6

转载链接:https://www.life.tsinghua.edu.cn/info/1131/3899.htm

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