12月7日，國際學術期刊EMBO Journal在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心朱學良研究組與景乃禾研究組的最新研究成果 “Maternal mRNA deadenylation and allocation via Rbm14 condensates facilitate vertebrate blastula development”。研究人員揭示了Rbm14和母源m6A-mRNA、脫腺苷酸酶Parn共同相分離形成的胞質凝聚體行使部分母源mRNA的脫腺苷酸化、儲存及分配功能，從而促進脊椎動物囊胚期的正常進行。
受精卵的基因組一開始是轉錄沉默的，從卵母細胞積累而來的母源mRNA隨著卵裂被漸次分配到子細胞中，為早期胚胎發(fā)育提供蛋白質翻譯模板。隨著合子基因組激活(Zygotic Genome Activation, ZGA)，基因轉錄逐漸旺盛，母源mRNA也被相應清除，直到胚胎完全依賴于基因組轉錄的mRNA。這一被稱為母源-合子轉換（maternal-to-zygotic transition）的過程，在不同物種中差異很大。比如斑馬魚胚胎對母源mRNA的依賴從1-細胞期至少持續(xù)至1000-細胞期，而小鼠胚胎在2-細胞中期后母源mRNA便大量降解。母源mRNA的蛋白質翻譯活性和穩(wěn)定性受到精細的調控。果蠅、斑馬魚、非洲爪蟾等物種的卵受精后，有些母源mRNA會被迅速脫腺苷酸化，導致翻譯活性的抑制，隨后可通過胞質多腺苷酸化（cytoplasmic polyadenylation）重新獲得poly(A)尾。有趣的是，通常脫腺苷酸化的mRNA很快會被降解，但在早期胚胎中卻能保持數小時的穩(wěn)定，其內在機理尚不清楚。
有趣的核質定位變化的現(xiàn)象
朱學良研究組之前的研究發(fā)現(xiàn)一個核定位的RNA結合蛋白Rbm14通過C端的內在無序區(qū)（Intrinsically Disordered Region, IDR）形成液態(tài)凝聚體，并調控了斑馬魚原腸胚時期背腹軸的形成。由于Rbm14也是母源蛋白質因子，作者研究了它在斑馬魚早期胚胎中的定位，并驚訝地發(fā)現(xiàn)從4-細胞期（受精后1小時）至ZGA（1000-細胞期，受精后3小時）之前Rbm14位于細胞質中并形成大量液態(tài)凝聚體，該凝聚體在有絲分裂期與中心體蛋白g-tubulin共同富集在紡錘體兩極，并且在8-16細胞期沿著胚胎中線（Midline）呈不對稱分布，說明它們可以被不均等地分配到子細胞中。隨著ZGA啟動該凝聚體逐漸消失，Rbm14也逐漸定位到細胞核內。
時間-空間調控的蛋白質-RNA凝聚體
核蛋白Rbm14在胞質形成凝聚體，是否由于其結合某些胞質因子？考慮到母源控制期的細胞質中存在大量母源mRNA，研究者首先采用RNA染料進行染色，結果表明Rbm14凝聚體內部富含母源RNA。文獻報道斑馬魚的母源mRNA中存在N6-甲基腺苷（m6A）和5-甲基胞嘧啶（m5C）兩種甲基化修飾，其中m6A修飾水平在受精后2小時（2hpf）達到最高之后逐漸降低，m5C水平繼而逐漸升高。通過體外相分離實驗，研究人員分別證明了無甲基化修飾的RNA、m6A-RNA促進該凝聚體的形成并與Rbm14共同相分離，反之m5C修飾抑制該凝聚體的形成。
研究人員進一步探索了Rbm14凝聚體的生理功能：斑馬魚和小鼠中Rbm14缺失的胚胎發(fā)育均停滯在囊胚期且胚胎致死，表明其對囊胚期發(fā)育的重要性；在斑馬魚胚胎中通過Rbm14敲低和挽救實驗，證明了Rbm14的相分離和RNA結合對囊胚期發(fā)育是必需的。RNA深度測序結果表明Rbm14缺失的斑馬魚胚胎中有大量母源mRNA累積，體外poly(A)尾長測定實驗證實了部分母源mRNA的poly(A)尾未被脫腺苷酸化。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)脫腺苷酸酶Parn與Rbm14相互作用并通過共同相分離促進Rbm14凝聚體形成。而且，Rbm14凝聚體中的Parn表現(xiàn)出很高的脫腺苷酸酶活性。
根據實驗結果，研究者提出Rbm14凝聚體在時間-空間層面調控早期胚胎發(fā)育的分子機制模型：Rbm14凝聚體通過Parn促進其中母源mRNA脫腺苷酸化，暫時儲存脫腺苷酸后的mRNA以免其降解，并在有絲分裂期以對稱或不對稱的方式被分配到子代細胞中。隨著發(fā)育進行，Parn水平降低，m5C修飾增加，Rbm14凝聚體逐漸解聚，釋放無poly(A)尾的mRNA，使其可通過多腺苷酸化再次激活或被降解而清除，使細胞增殖、分化和母源-合子轉換過程正常進行，從而促進囊胚向原腸胚的發(fā)育轉變。
該研究揭示了Rbm14凝聚體在脊椎動物中通過協(xié)調mRNA的脫腺苷酸化、多腺苷酸化、m6A與m5C表觀修飾等多個調控過程，動態(tài)又精細地調控了母源mRNA的翻譯活性和穩(wěn)定性。研究者推測，Rbm14凝聚體還可能通過在有絲分裂期將母源mRNA均等或差異地分配到子細胞中，從而調節(jié)細胞的增殖和命運。
分子細胞卓越中心朱學良和景乃禾研究員為論文通訊作者，中國科學院大學杭州高等研究院博士后肖悅、分子細胞卓越中心陳介會博士為論文的共同第一作者。分子細胞卓越中心李勁松研究員、楊蘇明博士、孫鴻華、謝樂樂為合作者。該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學院戰(zhàn)略先導專項、國家自然科學基金委、科技部浙江省博士后基金的資助，以及分子細胞卓越中心斑馬魚平臺、細胞分析技術平臺和分子生物學技術研究平臺等的技術支持。
文章鏈接：https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embj.2022111364
斑馬魚早期胚胎發(fā)育中Rbm14的定位
A. 受精后1-6小時（hpf）胚胎分裂間期的細胞中Rbm14從胞質定位逐漸變?yōu)楹硕ㄎ弧＞G色標注Rbm14，紫色標注DNA（DAPI）。 B. 有絲分裂期Rbm14凝聚體聚集在紡錘體兩極呈不對稱或對稱分布，從左至右依次為：8-細胞期、16-細胞期、64-細胞期胚胎。綠色標注Rbm14，藍色標注g-Tubulin，紅色標注DNA（DAPI）。
Rbm14凝聚體調控早期胚胎發(fā)育的模式圖
