Cell文章：劉默芳研究組發(fā)現精子發(fā)育過程中蛋白質翻譯激活重要機制
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時間：2019-12-13
北京時間12月13日凌晨，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外多家實驗室合作的文章“A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis”在國際學術期刊《細胞》上發(fā)表。該研究報道了精子細胞內的MIWI（小鼠PIWI）/piRNA復合體可作為蛋白質生產的調控“機器”，激活小鼠精子細胞中蛋白質的翻譯，保障功能性精子的生成，揭示了PIWI/piRNA的一種全新功能。
在精子細胞演變?yōu)榫拥倪^程中，隨著精子細胞變形和細胞核的壓縮，基因轉錄活動將逐漸降低直至完全停止，那些為精子細胞后期階段發(fā)育所需的基因都需要提前轉錄為信使核糖核酸（mRNA），然后以翻譯抑制狀態(tài)儲存在精子細胞中，直到特定發(fā)育階段再被激活翻譯，以合成蛋白質發(fā)揮作用。這就是精子形成過程中經典的“轉錄-翻譯解偶聯”現象，但如何讓“停工”進入“倉庫”的mRNA重啟工作狀態(tài)？這一直是生殖生物學中一個不解之謎。
PIWI 蛋白主要在動物生殖系統(tǒng)中表達，對于動物生殖細胞的分化發(fā)育至關重要。而PIWI蛋白功能的發(fā)揮離不開一類動物生殖細胞特異性小分子非編碼RNA——piRNA的參與。PIWI/piRNA復合體通過沉默基因組中的可移動性遺傳元件，維持了生殖細胞基因組的穩(wěn)定性和完整性，同時還可以在轉錄后水平負調控蛋白編碼基因的表達。
在劉默芳研究組的前期研究中，他們發(fā)現小鼠PIWI（MIWI）/piRNA通過類似miRNA或siRNA的機制，在小鼠后期精子細胞中介導mRNA降解和清除。在研究過程中，他們意外地發(fā)現一些piRNA可促進其靶mRNA的翻譯，暗示MIWI/piRNA可能在精子細胞中的“轉錄-翻譯解偶聯”中發(fā)揮作用。在當前這項研究工作中，劉默芳研究組深入系統(tǒng)地研究了MIWI/piRNA“正向”調控靶基因翻譯的分子機制，通過大量生化實驗和細胞生物學實驗，發(fā)現真核生物翻譯起始因子eIF3f 和RNA結合蛋白HuR等多個蛋白質因子為MIWI/piRNA激活靶mRNA必需。
為了探究這一新發(fā)現的翻譯激活機制是否的確參與了精子細胞中的基因表達，他們首先分析了小鼠精母細胞和單倍體精子細胞中靶基因的mRNA和蛋白質表達，發(fā)現MIWI/piRNA靶基因受控于“轉錄-翻譯解偶聯”調控，并證明MIWI、HuR以及MIWI-eIF3f相互作用等為這些靶基因的蛋白質翻譯必需。進一步，通過核糖體印跡測序技術和定量蛋白質組分析，他們發(fā)現精子細胞中有一大群mRNA的翻譯可能都受控于MIWI/piRNA，顯示這種新發(fā)現的MIWI/piRNA調控作用廣泛參與精子細胞中的mRNA翻譯激活。
為探索該MIWI/piRNA新調控作用的生物學功能，圍繞對頂體組裝至關重要的兩個靶基因Agfg1和Tbpl1，研究人員發(fā)現從Miwi敲低精子細胞衍生而來的精子發(fā)生了嚴重的頂體缺陷，而通過在Miwi敲低精子細胞中恢復Agfg1和Tbpl1的表達，有效拯救了精子的頂體缺陷，證明MIWI/piRNA介導的翻譯激活作用至少為精子細胞發(fā)育過程中的頂體組裝必需。
他們進一步探索了為何MIWI/piRNA可以在精子細胞中發(fā)揮翻譯激活和mRNA降解等兩種截然相反的作用？通過分析在不同發(fā)育階段雄性生殖細胞中的MIWI復合物組成，研究人員發(fā)現MIWI/eIF3f/HuR翻譯激活復合物主要在球形精子細胞中組裝。而劉默芳研究組此前的研究發(fā)現，MIWI/CAF1降解復合物主要在延長型和長形精子細胞中組裝。這些研究工作共同表明，MIWI/piRNA在小鼠精子細胞中對mRNA的調控具有雙重性，在早期階段精子細胞中主要通過與eIF3f和HuR相互作用激活mRNA翻譯，而在后期精子細胞中則主要通過與脫腺苷酶CAF1相互作用介導mRNA清除降解。同時也表明，PIWI/piRNA在精子發(fā)生過程中的功能是以一種動態(tài)的、嚴格時空特異性的方式來完成的。PIWI/piRNA在精子發(fā)生的不同階段通過與不同蛋白因子相互作用，組裝成功能特異的PIWI/piRNA“機器”，從而完成相應的生物學功能，確保生精細胞發(fā)育及精子形成有序進行。
據不完全統(tǒng)計，我國近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拮抗人PIWI蛋白泛素化修飾的Piwi基因突變，并證明此類突變通過影響精子形成后期組蛋白-魚精蛋白交換而導致精子形成受阻，首次證明了Piwi基因突變與男性不育相關。當前這項研究工作發(fā)現MIWI/piRNA介導精子細胞中翻譯激活，不僅為解析精子形成過程中“轉錄-翻譯解偶聯”謎團提供了新線索，還將有助于解析精子形成障礙的致病機理，并為相關男性不育癥的相關診斷治療提供理論依據和方法技術。
該項研究工作由分子細胞中心劉默芳研究組與武漢大學周宇研究組、上海市計劃生育科學研究所施惠娟研究組合作完成。分子細胞中心戴鵬博士、王鑫博士，美國加州大學圣地亞哥分校茍?zhí)m濤博士、分子細胞中心博士研究生李智彤、溫澤和武漢大學博士研究生陳宗貴為該研究論文的共同第一作者。此項研究同時得到了美國加州大學圣地亞哥分校付向東教授、分子細胞中心李黨生研究員、李勁松研究員等的大力協(xié)
