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范衡宇实验室在Nucleic Acids Research报道卵母细胞中mRNA在不同发育时期的翻译调控规律 [来源]:ZJU News          [作者]:           [日期]:2018-10-29          [访问次数]:504    

       2018年10月18日,浙江大学生命科学研究院范衡宇教授实验室在Nucleic Acids Research杂志在线发表文章,报道了母源性mRNA的3’-端非编码区(3’-UTR)在卵母细胞不同发育时期对mRNA poly(A)尾长度和蛋白翻译活性的调控规律。

       脊椎动物中,充分生长的GV期卵母细胞中积累了大量处于翻译抑制状态的母源性mRNA,它们在减数分裂成熟过程中的翻译激活对于母体-胚胎转换过程(maternal-zygotic transition,MZT)起着关键性的作用,主要参与调控纺锤体组装、第二次减数分裂中期阻滞维持以及部分母源性mRNA降解等过程。胞质中mRNA的多聚腺苷酸化与它的稳定性以及翻译激活密切相关,受到自身3’-UTR中CPE (cytoplasmic polyadenylation element)、PAS(Poly(A) signal)等蛋白识别元件的调控。不同物种的卵母细胞中,选择性激活mRNA翻译的机制是复杂多变的,但在哺乳动物中还缺乏针对性的研究。范衡宇实验室的前期研究表明,在小鼠卵子成熟过程中,MAPK级联通路的重要蛋白激酶ERK1/2通过调控CPE结合蛋白CPEB1的磷酸化和部分降解,将母源性mRNA的翻译与卵母细胞减数分裂细胞周期进程偶联起来(Development 2017)。

       在本研究中,范衡宇研究团队利用三种在卵母细胞中丰富表达、在MZT过程中发挥关键生理功能、在3’-UTR中同时具有多个PAS和CPE元件,但却具有不同翻译模式的mRNA,系统研究了这一科学问题:Cpeb1在GV期就具有活跃的蛋白翻译;Btg4在GV期不翻译,而在GVBD以后发生活跃翻译;Cnot6l介于二者之间,在GV期有较弱翻译活性,在GVBD之后翻译能力大大增强。课题组克隆了这三种mRNA的3’-UTR,与GFP编码RNA拼接成融合mRNA,从而构建了3’-UTR 翻译活性的reporter,研究了CPE元件和PAS元件的不同数目和位置组合,对mRNA加尾和翻译的调控规律(图1)。

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图1:以小鼠Btg4 基因为例,阐明3’-UTR对mRNA翻译激活的调控作用。A: 小鼠Btg4 基因3’-UTR中的调控元件示意图。B:把体外转录的Btg4 3’-UTR reporter mRNA注射到小鼠卵母细胞中,观察到细胞周期依赖的蛋白翻译模式。突变3’-UTR中的CPE元件,改变了reporter mRNA的翻译模式。(Dai et al, Nucleic Acids Research 2018)

 

       在研究中课题组发现,RNA剪切与加尾复合体CPSF(Cleavage and polyadenylation-specific factor)与3’-UTR中PAS元件的结合,是启动mRNA加尾和翻译的关键步骤。于是,课题组从这一线索入手,研究了CPSF通过其关键亚基CPSF4识别3’-UTR中近端或远端的PAS序列,调控蛋白翻译和卵子成熟的生化机制。如果过表达dominant negative形式的CPSF4 (CPSF4-ΔZF2),卵母细胞就不能启动mRNA加尾和翻译,从而使细胞中蛋白合成水平下降,不能维持正常的纺锤体组装和细胞周期进程,更不能排出第一极体(图2)。

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图2:mRNA剪切与加尾复合体CPSF在小鼠卵母细胞中的功能研究。A:Poly(A) tail assay显示多种mRNA在小鼠卵母细胞减数分裂成熟过程中poly(A)尾延长,但是过表达dominant negative形式的CPSF4 (CPSF4-ΔZF2)抑制了该过程。B:在卵母细胞中过表达CPSF4-ΔZF2,造成卵母细胞恢复减数分裂后不能形成正常纺锤体、不能排出极体。(Dai et al, Nucleic Acids Research2018)

 

       该研究的创新性在于:1)该研究首次解析了哺乳动物卵母细胞中调控发育阶段特异性mRNA翻译的模式,特别是3′-UTR中多种关键元件的组合规律(图3);2)首次报道3′-UTR中近端加尾信号(poly(A) signal)越过多个下游元件、介导mRNA远端加尾的现象,对经典mRNA加尾规律做了重要补充;3)首次在哺乳动物中研究了mRNA剪切与加尾复合体CPSF在卵母细胞减数分裂过程中的生理、生化功能。

       这些研究发现,不但进一步揭示了遗传信息传递链上mRNA翻译调控的广谱规律,而且为辅助生殖临床实践所涉及到的卵子成熟障碍、卵子核质同步成熟、卵子老化等问题提供了新的潜在病理机制和干预靶点。由于成熟的卵母细胞体积大、细胞周期同步程度高、没有新的转录活动、减数分裂和受精过程完全由胞质中mRNA的翻译和降解来调控,因此是研究mRNA翻译调控的理想模型。本研究开发了适用于哺乳动物卵母细胞的多项RNA研究技术,如nested poly(A) tail assay、微量RNA-蛋白免疫共沉淀、3’-UTR活性的荧光报告系统等,为后续研究奠定了理论和技术基础。

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图3:哺乳动物卵母细胞成熟过程中mRNA翻译的规律总结。1)未恢复减数分裂的卵母细胞中,如果具有远离CPE元件的PAS元件,就可以翻译,否则不能;2)多个CPE元件以累加效应抑制周围的PAS与CPSF4结合、阻止mRNA翻译;3)恢复减数分裂之后,由于MAPK级联通路导致CPEB1磷酸化和部分降解,解除了CPEB1对mRNA翻译的抑制作用,使得同时含有CPE和PAS元件的mRNA发生翻译激活。

 

    原文链接:https://doi.org/10.1093/nar/gky971

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