水生所揭示膽固醇代謝調(diào)控魚類卵子質(zhì)量和胚外組織發(fā)育的新機(jī)制
作為卵生動(dòng)物,魚類早期胚胎發(fā)育過程中產(chǎn)生一類從卵裂期到幼苗期暫時(shí)存在的胚外組織(extraembryonic tissue),如卵黃合胞體層(yolk syncytial layer,YSL),其對于中內(nèi)胚層的形成和外包運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。然而,胚外組織的發(fā)育命運(yùn)是如何被調(diào)控的,以及胚外組織中是否存在獨(dú)立于胚胎組織的合子基因激活(zygotic genome activation,ZGA)程序,尚未可知。
近年來,國際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)利用斑馬魚模型開展研究,發(fā)現(xiàn)母源因子Nanog在早期胚胎發(fā)育和合子基因激活過程中扮演至關(guān)重要的角色。如耶魯大學(xué)Giraldez團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Nanog可以與Pou5f3、Sox19b等先鋒因子互作,促進(jìn)胚胎細(xì)胞ZGA的啟動(dòng)(Lee et al., Nature 2013; Miao et al., Mol Cell 2022),哈佛兒童醫(yī)院Zon團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Nanog可以通過激活mxtx2-Nodal軸促進(jìn)中內(nèi)胚層發(fā)育(Xu et al., Dev Cell 2012),哈佛大學(xué)/瑞士巴塞爾大學(xué)Schier團(tuán)隊(duì)的研究則顯示Nanog的功能主要表現(xiàn)于調(diào)控胚外組織的發(fā)育(Gagnon et al., Development 2018)。然而,Nanog是如何調(diào)控胚外組織發(fā)育,以及如何協(xié)調(diào)統(tǒng)一Nanog調(diào)控胚胎組織和胚外組織發(fā)育的關(guān)系,其背后的機(jī)制不明。
9月10日,中國科學(xué)院水生生物研究所孫永華團(tuán)隊(duì)在Science Bulletin(IF=21.1)發(fā)表題為An oocyte and yolk syncytial layer-derived Nanog-cyp11a1-pregnenolone axis promotes extraembryonic development的研究論文,揭示了一個(gè)存在于卵子發(fā)生和早期胚胎胚外組織中的“Nanog–cyp11a1–孕烯醇酮(Pregnenolone, P5)軸”,這一調(diào)控軸完美解釋了Nanog促進(jìn)早期胚胎胚外組織發(fā)育,以及協(xié)調(diào)胚胎組織和胚外組織發(fā)育的作用機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中,通過構(gòu)建Nanog的功能缺失突變體(He et al., Mutation Res, 2014),發(fā)現(xiàn)在卵子發(fā)生過程中,Nanog作為轉(zhuǎn)錄抑制子抑制翻譯延伸因子eef1a1l2的轉(zhuǎn)錄,從而在全局水平上對卵子發(fā)生過程進(jìn)行翻譯控制,促進(jìn)卵子發(fā)生和早期胚胎的發(fā)育(He & Jiao et al.,Development 2022);在胚胎發(fā)育早期,母源Nanog與TCF因子結(jié)合抑制母源β-catenin信號的全局性激活,從而保護(hù)早期胚胎正常背腹軸形成(He et al.,PLOS Biology 2020)。
在最新發(fā)表的這篇論文中,研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)膽固醇側(cè)鏈裂解酶編碼基因cyp11a1在nanog突變體的卵子和早期胚胎中的轉(zhuǎn)錄水平急劇下調(diào),有趣的是,簡單過表達(dá)cyp11a1即可有效拯救nanog突變體胚胎發(fā)育的外包異常、致死性發(fā)育缺陷和膽固醇異常累積(圖1)。

圖1 過表達(dá)膽固醇側(cè)鏈裂解酶編碼基因cyp11a1拯救MZnanog發(fā)育缺陷
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在卵子發(fā)生和早期胚胎胚外組織中均存在一個(gè)Nanog–cyp11a1–P5軸。在卵子發(fā)生階段,Nanog激活膽固醇側(cè)鏈裂解酶編碼基因cyp11a1的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)卵子中膽固醇向P5的轉(zhuǎn)換、微管組裝、卵子成熟和卵子質(zhì)量,進(jìn)而促進(jìn)早期受精胚卵黃胞質(zhì)層(yolk cytoplasmic layer,YCL)中微管的組裝和母源物質(zhì)向動(dòng)物極的運(yùn)輸(圖2)。

圖2 Nanog通過Cyp11a1-P5軸調(diào)控微管組裝和母源物質(zhì)運(yùn)輸
為了研究Nanog是如何調(diào)控早期胚胎YSL中的合子基因激活(ZGA)程序,進(jìn)一步構(gòu)建Nanog、Pou5f3和Sox19b等3個(gè)先鋒因子編碼基因的敲入品系,用于示蹤3個(gè)先鋒因子在早期胚胎發(fā)育過程中的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Nanog持續(xù)激活YSL核中cyp11a1的轉(zhuǎn)錄和P5的合成,從而促進(jìn)胚外組織中的微管組裝、胚胎外包運(yùn)動(dòng),以及Nanog、Pou5f3和Sox19b等先鋒因子向YSL核內(nèi)的運(yùn)輸和聚集(圖3),因此有效激活了YSL細(xì)胞中依賴于Nanog-cyp11a1-P5軸的ZGA和功能性YSL形成,并誘導(dǎo)中內(nèi)胚層的發(fā)育。

圖3 Nanog–Cyp11a1– P5軸調(diào)控先鋒因子NPS向YSL核內(nèi)聚集
研究還發(fā)現(xiàn),斑馬魚cyp11a1母源合子突變體(MZcyp11a1)中存在典型的遺傳補(bǔ)償效應(yīng):其旁系同源基因cyp11a2在突變體卵母細(xì)胞和YSL中上調(diào)表達(dá),可完美替代cyp11a1催化P5合成從而維持胚外組織正常發(fā)育,導(dǎo)致MZcyp11a1并不會(huì)出現(xiàn)早期發(fā)育的缺陷。
總之,該研究從膽固醇代謝、微管組裝、細(xì)胞骨架、物質(zhì)運(yùn)輸?shù)葘用?,揭示?/strong>Nanog在調(diào)控胚胎細(xì)胞命運(yùn)決定和胚外組織YSL及YCL結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一性,發(fā)現(xiàn)了胚外組織YSL中存在獨(dú)立于胚胎組織的ZGA程序,同時(shí)這一研究為膽固醇代謝影響魚類卵子質(zhì)量的作用機(jī)制提供了全新的認(rèn)識(圖4)。

圖4 Nanog-Cyp11a1-P5軸指導(dǎo)胚外組織發(fā)育的分子機(jī)制
水生所孫永華研究員為該論文通訊作者,張茹助理研究員為第一作者,已經(jīng)畢業(yè)的焦圣博博士為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金A類、C類、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院特別研究助理項(xiàng)目等資助。文中構(gòu)建的基因敲除及基因敲入品系均已保藏至國家水生生物種質(zhì)資源庫國家斑馬魚資源中心,并對學(xué)術(shù)界開放提供。
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