2019年10月17日,华中科技大学同济医学院生殖健康研究所袁水桥课题组在Nature Communications上在线发表题为“UHRF1 suppresses retrotransposons andcooperates with PRMT5 and PIWI proteins in male germ cells”的研究论文。该研究发现了UHRF1蛋白可作为分子纽带,在雄性精母细胞中调控DNA甲基化、组蛋白修饰和piRNA通路以抑制精母细胞中TEs的活性,从而维持正常的精子发生过程和雄性生育能力。


华中大发现调控逆转录转座子沉默和雄性生育的新机制


UHRF1是一个重要的表观遗传调控因子,具有多个功能结构域而参与表观遗传调控。UHRF1蛋白上的不同结构域可以分别识别DNA甲基化和组蛋白甲基化,具有整合DNA和组蛋白上所携带的表观遗传信息的功能,从而调控疾病的发生。在该研究中,作者首先通过免疫荧光染色检测了处于不同发育时期的雄性生殖细胞中的 UHRF1 表达和定位。在出生后雄性生殖细胞中具有胞核-胞浆转移的动态表达模式,UHRF1在精原细胞(Spermatogonia)、粗线期精母细胞胞(Pachytenespermatocytes)的细胞核中高表达,而在细线期(Leptotene spermatocytes)及偶线期精母细胞(Zygotenespermatocytes)的胞浆中表达(图1)。


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图 1. UHRF1在雄性生殖细胞中呈现胞核-胞浆动态转移表达模式。


随后作者利用条件性基因敲除策略,在小鼠雄性生殖细胞中特异敲除了 Uhrf1基因,与预期一样,条件性敲除小鼠完全不育,睾丸显著性变小,附睾中完全没有精子。进一步表型分析发现,敲除小鼠的生精细胞发育停滞在减数分裂前期(Prophase I)的粗线期精母细胞阶段,表明UHRF1调控精母细胞减数分裂进程。有趣的是,作者发现敲除精母细胞中的逆转录转座子(Line 1)被异常激活(图 2),并且敲除小鼠基因组中的DNA呈现出低甲基化状态,同时发现抑制性组蛋白(H3K9me3)在敲除小鼠精母细胞中显著性下降,而激活性组蛋白(H3K4me2)显著性上升。这表明UHRF1可通过甲基化和组蛋白修饰来调控精母细胞中逆转录转座子的沉默。


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图 2. UHRF1敲除导致雄性生殖细胞中逆转录转座子异常激活。


进一步作者利用二代测序技术检测了敲除小鼠睾丸(P15)中的 piRNA组成,发现Pachytene piRNA组分显著减少,提示敲除小鼠生殖细胞中piRNA生成通路发生异常。作者发现参与 piRNA 生成的关键蛋白(MIWI、MILI、MVH、TDRKH 等)的表达和定位均出现异常(图 3),并且免疫共沉淀实验证实UHRF1与 PIWI家族蛋白有互作效应。这一结果表明,UHRF1可通过调控piRNA生成通路中的相关蛋白来调控精母细胞中piNRA 的生成,进而在一定程度上反馈性调节逆转录转座子的活性。


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图 3. UHRF1与 PIWI家族蛋白互作,并调控piRNA生成相关蛋白的表达。


此外,该研究中作者还意外发现 UHRF1与 PRMT5(精氨酸甲基转移酶)互作,调控精母细胞中抑制性组蛋白精氨酸修饰(H4R3me2s和 H3R2me2s)的表达,进而沉默逆转录转座子。值得一提的是,PRMT5在雄性生殖细胞中也呈现胞核-胞浆的动态转移表达模式。在2015 年,中科院动物所高飞研究组发现PRMT5的雄性生殖细胞条件性敲除小鼠也出现不育表型,但生殖细胞中的逆转录转座子并未异常激活,因此本研究的发现还对PRMT5在雄性生殖细胞发育过程中的作用有一定的补充及拓展。该研究揭示了精母细胞减数分裂过程中逆转录转座子沉默的分子机制,创新性的提出了UHRF1作为分子纽带,通过调控 DNA甲基化、组蛋白修饰和piRNA通路来抑制精母细胞中逆转录转座子的异常激活(图4)。


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图 4. UHRF1调控精母细胞中逆转录转座子沉默的工作模式图。


据悉,华中科技大学同济医学院生殖健康研究所2016级博士生董娟、王晓莉讲师、2016级硕士生曹聪聪为该论文的共同第一作者,袁水桥为独立通讯作者。袁水桥老师于2016 年从美国内华达大学医学院(BOR主编闫威老师实验室)回到华中科技大学同济医学院生殖健康研究所建立独立研究组后,一直从事精子发生与男性不育的相关研究。


研究背景


哺乳动物转座子(TEs)是一类可以在基因组自主移动的DNA片段,它们散在分布在基因组周围以及基因组内部,占据将近50%的人类基因组。在哺乳动物的长期进化过程中,TEs的活性和结构有利于基因组的的多样性。然而,在短期内,TEs激活也可威胁基因组完整性,进而导致肿瘤发生、病理性发育以及不孕不育的发生。因此,转座子的沉默对维持基因组的完整性和预防疾病的发生有重要的作用,特别是在雄性生殖细胞中特异阶段的沉默尤为重要。


雄性哺乳动物生殖细胞可以通过抑制性的表观遗传调控以抵御逆转录转座子的激活,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和PIWI-interacting RNAs (piRNAs)通路。DNA甲基化相关基因(Dnmt1, Dnmt3A/3L)的突变会异常激活TEs,导致小鼠胚胎死亡或雄性不育。而在小鼠胚胎干细胞(ESCs),抑制性组蛋白的修饰(如H3K9甲基化)是抑制TEs转录的主要机制。雄性生殖细胞中,piRNAs作为一类性腺特异性的小RNA,可靶向抑制转座子,从而维持生殖细胞的基因组完整性。例如,piRNA通路上关键蛋白的突变或缺失(如MIWI、MILI蛋白)都引起精母细胞减数分裂阻滞而导致雄性不育。尽管有研究表明在生殖细胞发育的过程中,这些不同的抑制性表观遗传调控途径可紧密协作以抑制TEs,但是它们在精母细胞减数分裂过程中沉默逆转录转座子的分子纽带及机制尚不清楚。


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