北京時間8月12日凌晨，國際學術期刊《科學》在線發(fā)表中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心（生物化學與細胞生物學研究所）劉默芳研究組與國內(nèi)外多家實驗室合作的文章：“LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs”。該研究報道了RNA結合蛋白FXR1可通過液-液相分離激活小鼠后期精子細胞中mRNA的翻譯，保障精子形成過程的正常進行?！犊茖W》隨刊配發(fā)了法國人類遺傳研究所Martine Simonelig教授撰寫的題為“Activating translation with phase separation”的展望評論。文章指出，盡管RNP顆粒在發(fā)育過程中的動態(tài)變化已被描述，但解析這類顆粒的形成如何在體內(nèi)發(fā)揮生物學功能仍面臨巨大挑戰(zhàn)，該研究成果極大地推動了對這一問題的解答。

　　在精子細胞形變過程中，隨著細胞核被逐步壓縮，基因組的轉錄活動將逐漸降低直至完全停止。后期精子細胞發(fā)育所需基因需提前轉錄為信使核糖核酸（mRNA），然后以翻譯抑制狀態(tài)儲存于信使核糖核蛋白（mRNPs），至特定發(fā)育階段再被激活翻譯，以合成蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。但這些后期精子細胞中儲存的mRNA如何被翻譯激活，人們對其中的機制還知之甚少。

　　為了探究后期精子細胞mRNA的翻譯激活機制，研究人員首先分析了不同發(fā)育階段小鼠睪丸的多聚核糖體蛋白譜，挖掘后期精子細胞中潛在的翻譯調(diào)控因子。結果顯示，RNA結合蛋白FXR1顯著富集于后期精子細胞的多聚核糖體組份中，且在小鼠睪丸中特異性高表達。進一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR1結合一大群特異性在后期精子細胞中翻譯的mRNA，且與EIF4G3等多個翻譯相關因子存在相互作用。生殖細胞特異性敲除Fxr1不影響靶mRNA穩(wěn)定性，但導致其在后期精子細胞中翻譯活性降低、蛋白表達減少。更重要的是，Fxr1敲除小鼠無精、雄性不育，表明FXR1對后期精子細胞的翻譯和精子細胞發(fā)育均至關重要。

　　機制研究表明， FXR1具有蛋白濃度依賴性的液-液相分離（Liquid-liquid phase separation，LLPS）性質(zhì)，且FXR1與EIF4G3等多個翻譯相關因子及靶mRNA都顯著富集于后期精子細胞中的FXR1顆粒中，暗示FXR1在后期精子細胞中相分離可能與其對靶mRNA的翻譯激活作用密切相關。隨后，研究人員利用可表征胞內(nèi)RNA翻譯狀態(tài)的TRICK報告系統(tǒng)和慢病毒轉導系統(tǒng)在培養(yǎng)細胞和精子細胞水平證明，F(xiàn)XR1相分離能力與其在細胞內(nèi)形成顆粒及其靶RNA的翻譯激活緊密相關。最后，研究人員利用CRISPR-Cas9結合半克隆技術構建了在生殖細胞特異性敲入相分離能力缺失的FXR1突變小鼠模型。該小鼠表現(xiàn)為無精、雄性不育，證明FXR1相分離為后期精子細胞mRNA翻譯激活和精子形成所必需。

　　基于研究發(fā)現(xiàn)，作者提出工作模型：在球形精子細胞中，低水平表達的FXR1可協(xié)同其他RNA結合蛋白識別部分新轉錄的mRNA，在細胞質(zhì)中組裝成翻譯抑制狀態(tài)的mRNPs；進入精子細胞后期，大量表達的FXR1發(fā)生相變并形成FXR1顆粒，招募EIF4G3等翻譯機器，激活FXR1顆粒中存儲mRNA的翻譯，保障精子細胞發(fā)育和精子生成。

　　該研究由分子細胞卓越中心劉默芳研究組與上海交通大學醫(yī)學院附屬新華醫(yī)院黃旲研究組合作完成。分子細胞卓越中心康俊炎博士、溫澤博士、博士生潘舵和鐘艾，新華醫(yī)院張玉涵博士，分子細胞卓越中心李慶博士和武漢大學博士生于興海為該論文的共同第一作者。研究得到了美國加州大學圣地亞哥分校付向東教授，分子細胞卓越中心李勁松研究員、李黨生研究員和茍?zhí)m濤研究員，武漢大學周宇教授，南京醫(yī)科大學郭雪江教授，上海市計劃生育科學研究所施惠娟研究員，美國貝勒醫(yī)學院David L. Nelson教授等的大力協(xié)助，同時得到科技部、基金委、中科院及上海市科委等經(jīng)費資助和分子細胞卓越中心GTP中心、分子生物學技術平臺、細胞分析技術平臺、動物實驗技術平臺等技術平臺的支持。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.abj6647

FXR1顆粒介導后期精子細胞翻譯激活