Cell文章：劉默芳研究組發(fā)現(xiàn)精子發(fā)育過(guò)程中蛋白質(zhì)翻譯激活重要機(jī)制
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時(shí)間：2019-12-13
北京時(shí)間12月13日凌晨，中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）劉默芳研究組與國(guó)內(nèi)外多家實(shí)驗(yàn)室合作的文章“A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis”在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表。該研究報(bào)道了精子細(xì)胞內(nèi)的MIWI（小鼠PIWI）/piRNA復(fù)合體可作為蛋白質(zhì)生產(chǎn)的調(diào)控“機(jī)器”，激活小鼠精子細(xì)胞中蛋白質(zhì)的翻譯，保障功能性精子的生成，揭示了PIWI/piRNA的一種全新功能。
在精子細(xì)胞演變?yōu)榫拥倪^(guò)程中，隨著精子細(xì)胞變形和細(xì)胞核的壓縮，基因轉(zhuǎn)錄活動(dòng)將逐漸降低直至完全停止，那些為精子細(xì)胞后期階段發(fā)育所需的基因都需要提前轉(zhuǎn)錄為信使核糖核酸（mRNA），然后以翻譯抑制狀態(tài)儲(chǔ)存在精子細(xì)胞中，直到特定發(fā)育階段再被激活翻譯，以合成蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。這就是精子形成過(guò)程中經(jīng)典的“轉(zhuǎn)錄-翻譯解偶聯(lián)”現(xiàn)象，但如何讓“停工”進(jìn)入“倉(cāng)庫(kù)”的mRNA重啟工作狀態(tài)？這一直是生殖生物學(xué)中一個(gè)不解之謎。
PIWI 蛋白主要在動(dòng)物生殖系統(tǒng)中表達(dá)，對(duì)于動(dòng)物生殖細(xì)胞的分化發(fā)育至關(guān)重要。而PIWI蛋白功能的發(fā)揮離不開(kāi)一類(lèi)動(dòng)物生殖細(xì)胞特異性小分子非編碼RNA——piRNA的參與。PIWI/piRNA復(fù)合體通過(guò)沉默基因組中的可移動(dòng)性遺傳元件，維持了生殖細(xì)胞基因組的穩(wěn)定性和完整性，同時(shí)還可以在轉(zhuǎn)錄后水平負(fù)調(diào)控蛋白編碼基因的表達(dá)。
在劉默芳研究組的前期研究中，他們發(fā)現(xiàn)小鼠PIWI（MIWI）/piRNA通過(guò)類(lèi)似miRNA或siRNA的機(jī)制，在小鼠后期精子細(xì)胞中介導(dǎo)mRNA降解和清除。在研究過(guò)程中，他們意外地發(fā)現(xiàn)一些piRNA可促進(jìn)其靶mRNA的翻譯，暗示MIWI/piRNA可能在精子細(xì)胞中的“轉(zhuǎn)錄-翻譯解偶聯(lián)”中發(fā)揮作用。在當(dāng)前這項(xiàng)研究工作中，劉默芳研究組深入系統(tǒng)地研究了MIWI/piRNA“正向”調(diào)控靶基因翻譯的分子機(jī)制，通過(guò)大量生化實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)真核生物翻譯起始因子eIF3f 和RNA結(jié)合蛋白HuR等多個(gè)蛋白質(zhì)因子為MIWI/piRNA激活靶mRNA必需。
為了探究這一新發(fā)現(xiàn)的翻譯激活機(jī)制是否的確參與了精子細(xì)胞中的基因表達(dá)，他們首先分析了小鼠精母細(xì)胞和單倍體精子細(xì)胞中靶基因的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá)，發(fā)現(xiàn)MIWI/piRNA靶基因受控于“轉(zhuǎn)錄-翻譯解偶聯(lián)”調(diào)控，并證明MIWI、HuR以及MIWI-eIF3f相互作用等為這些靶基因的蛋白質(zhì)翻譯必需。進(jìn)一步，通過(guò)核糖體印跡測(cè)序技術(shù)和定量蛋白質(zhì)組分析，他們發(fā)現(xiàn)精子細(xì)胞中有一大群mRNA的翻譯可能都受控于MIWI/piRNA，顯示這種新發(fā)現(xiàn)的MIWI/piRNA調(diào)控作用廣泛參與精子細(xì)胞中的mRNA翻譯激活。
為探索該MIWI/piRNA新調(diào)控作用的生物學(xué)功能，圍繞對(duì)頂體組裝至關(guān)重要的兩個(gè)靶基因Agfg1和Tbpl1，研究人員發(fā)現(xiàn)從Miwi敲低精子細(xì)胞衍生而來(lái)的精子發(fā)生了嚴(yán)重的頂體缺陷，而通過(guò)在Miwi敲低精子細(xì)胞中恢復(fù)Agfg1和Tbpl1的表達(dá)，有效拯救了精子的頂體缺陷，證明MIWI/piRNA介導(dǎo)的翻譯激活作用至少為精子細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中的頂體組裝必需。
他們進(jìn)一步探索了為何MIWI/piRNA可以在精子細(xì)胞中發(fā)揮翻譯激活和mRNA降解等兩種截然相反的作用？通過(guò)分析在不同發(fā)育階段雄性生殖細(xì)胞中的MIWI復(fù)合物組成，研究人員發(fā)現(xiàn)MIWI/eIF3f/HuR翻譯激活復(fù)合物主要在球形精子細(xì)胞中組裝。而劉默芳研究組此前的研究發(fā)現(xiàn)，MIWI/CAF1降解復(fù)合物主要在延長(zhǎng)型和長(zhǎng)形精子細(xì)胞中組裝。這些研究工作共同表明，MIWI/piRNA在小鼠精子細(xì)胞中對(duì)mRNA的調(diào)控具有雙重性，在早期階段精子細(xì)胞中主要通過(guò)與eIF3f和HuR相互作用激活mRNA翻譯，而在后期精子細(xì)胞中則主要通過(guò)與脫腺苷酶CAF1相互作用介導(dǎo)mRNA清除降解。同時(shí)也表明，PIWI/piRNA在精子發(fā)生過(guò)程中的功能是以一種動(dòng)態(tài)的、嚴(yán)格時(shí)空特異性的方式來(lái)完成的。PIWI/piRNA在精子發(fā)生的不同階段通過(guò)與不同蛋白因子相互作用，組裝成功能特異的PIWI/piRNA“機(jī)器”，從而完成相應(yīng)的生物學(xué)功能，確保生精細(xì)胞發(fā)育及精子形成有序進(jìn)行。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近20年不孕不育率從6.9% 升至17.1%，其中近50%是男性因素導(dǎo)致。環(huán)境污染、生活壓力、遺傳突變等因素是造成男性不育的重要原因，但目前有一半以上不育男性無(wú)法明確其病因。劉默芳研究組此前在男性不育癥患者中鑒定到一類(lèi)拮抗人PIWI蛋白泛素化修飾的Piwi基因突變，并證明此類(lèi)突變通過(guò)影響精子形成后期組蛋白-魚(yú)精蛋白交換而導(dǎo)致精子形成受阻，首次證明了Piwi基因突變與男性不育相關(guān)。當(dāng)前這項(xiàng)研究工作發(fā)現(xiàn)MIWI/piRNA介導(dǎo)精子細(xì)胞中翻譯激活，不僅為解析精子形成過(guò)程中“轉(zhuǎn)錄-翻譯解偶聯(lián)”謎團(tuán)提供了新線(xiàn)索，還將有助于解析精子形成障礙的致病機(jī)理，并為相關(guān)男性不育癥的相關(guān)診斷治療提供理論依據(jù)和方法技術(shù)。
該項(xiàng)研究工作由分子細(xì)胞中心劉默芳研究組與武漢大學(xué)周宇研究組、上海市計(jì)劃生育科學(xué)研究所施惠娟研究組合作完成。分子細(xì)胞中心戴鵬博士、王鑫博士，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校茍?zhí)m濤博士、分子細(xì)胞中心博士研究生李智彤、溫澤和武漢大學(xué)博士研究生陳宗貴為該研究論文的共同第一作者。此項(xiàng)研究同時(shí)得到了美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校付向東教授、分子細(xì)胞中心李黨生研究員、李勁松研究員等的大力協(xié)
