上海科学家发现精子蛋白质翻译激活机制,或有助男性不育诊疗

 新闻资讯     |      2019-12-19 23:59

据中科院网站12月13日音讯,北京时间今日清晨,我国科学院分子细胞科学杰出立异中心/生物化学与细胞生物学研讨所刘默芳研讨组与国表里多家试验室协作的文章“A Translation-Activating Function of MIWI/piRNA during Mouse Spermiogenesis”在世界学术期刊《细胞》上宣布。该研讨报导了精子细胞内的MIWI(小鼠PIWI)/piRNA复合体可作为蛋白质出产的调控“机器”,激活小鼠精子细胞中蛋白质的翻译,保证功用性精子的生成,提醒了PIWI/piRNA的一种全新功用。

在精子细胞演变为精子的过程中,跟着精子细胞变形和细胞核的紧缩,基因转录活动将逐步下降直至彻底中止,那些为精子细胞后期阶段发育所需的基因都需求提早转录为信使核糖核酸(mRNA),然后以翻译按捺状况储存在精子细胞中,直到特定发育阶段再被激活翻译,以组成蛋白质发挥效果。这便是精子形成过程中经典的“转录-翻译解偶联”现象,但怎么让“罢工”进入“库房”的mRNA重启作业状况?这一直是生殖生物学中一个不解之谜。

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PIWI蛋白首要在动物生殖体系中表达,关于动物生殖细胞的分解发育至关重要。而PIWI蛋白功用的发挥离不开一类动物生殖细胞特异性小分子非编码RNA——piRNA的参加。PIWI/piRNA复合体经过缄默沉静基因组中的可移动性遗传元件,保持了生殖细胞基因组的稳定性和完整性,一起还能够在转录后水平负调控蛋白编码基因的表达。

在刘默芳研讨组的前期研讨中,他们发现小鼠PIWI(MIWI)/piRNA经过相似miRNA或siRNA的机制,在小鼠后期精子细胞中介导mRNA降解和铲除。在研讨过程中,他们意外地发现一些piRNA可促进其靶mRNA的翻译,暗示MIWI/piRNA或许在精子细胞中的“转录-翻译解偶联”中发挥效果。在当时这项研讨作业中,刘默芳研讨组深化体系地研讨了MIWI/piRNA“正向”调控靶基因翻译的分子机制,经过很多生化试验和细胞生物学试验,发现真核生物翻译开始因子eIF3f 和RNA结合蛋白HuR等多个蛋白质因子为MIWI/piRNA激活靶mRNA必需。

为了探求这一新发现的翻译激活机制是否确实参加了精子细胞中的基因表达,他们首要剖析了小鼠精母细胞和单倍体精子细胞中靶基因的mRNA和蛋白质表达,发现MIWI/piRNA靶基因受控于“转录-翻译解偶联”调控,并证明MIWI、HuR以及MIWI-eIF3f相互效果等为这些靶基因的蛋白质翻译必需。进一步,经过核糖体印迹测序技能和定量蛋白质组剖析,他们发现精子细胞中有一大群mRNA的翻译或许都受控于MIWI/piRNA,显现这种新发现的MIWI/piRNA调控效果广泛参加精子细胞中的mRNA翻译激活。

MIWI/piRNA 复合体激活小鼠精子细胞中mRNA翻译的机制图丨中科院

为探究该MIWI/piRNA新调控效果的生物学功用,环绕对顶体拼装至关重要的两个靶基因Agfg1和Tbpl1,研讨人员发现从Miwi敲低精子细胞衍生而来的精子发生了严峻的顶体缺点,而经过在Miwi敲低精子细胞中康复Agfg1和Tbpl1的表达,有用拯救了精子的顶体缺点,证明MIWI/piRNA介导的翻译激活效果至少为精子细胞发育过程中的顶体拼装必需。

他们进一步探究了为何MIWI/piRNA能够在精子细胞中发挥翻译激活和mRNA降解等两种截然相反的效果?经过剖析在不同发育阶段雄性生殖细胞中的MIWI复合物组成,研讨人员发现MIWI/eIF3f/HuR翻译激活复合物首要在球形精子细胞中拼装。而刘默芳研讨组此前的研讨发现,MIWI/CAF1降解复合物首要在延伸型和长形精子细胞中拼装。这些研讨作业一起标明,MIWI/piRNA在小鼠精子细胞中对mRNA的调控具有双重性,在前期阶段精子细胞中首要经过与eIF3f和HuR相互效果激活mRNA翻译,而在后期精子细胞中则首要经过与脱腺苷酶CAF1相互效果介导mRNA铲除降解。一起也标明,PIWI/piRNA在精子发生过程中的功用是以一种动态的、严厉时空特异性的办法来完结的。PIWI/piRNA在精子发生的不同阶段经过与不同蛋白因子相互效果,拼装成功用特异的PIWI/piRNA“机器”,然后完结相应的生物学功用,保证生精细胞发育及精子形成有序进行。

据不彻底统计,我国近20年不孕不育率从6.9% 升至17.1%,其间近50%是男性要素导致。环境污染、日子压力、遗传骤变等要素是形成男性不育的重要原因,但现在有一半以上不育男性无法清晰其病因。刘默芳研讨组此前在男性不育症患者中判定到一类拮抗人PIWI蛋白泛素化润饰的Piwi基因骤变,并证明此类骤变经过影响精子形成后期组蛋白-鱼精蛋白交流而导致精子形成受阻,初次证明了Piwi基因骤变与男性不育相关。当时这项研讨作业发现MIWI/piRNA介导精子细胞中翻译激活,不仅为解析精子形成过程中“转录-翻译解偶联”疑团供给了新头绪,还将有助于解析精子形成妨碍的致病机理,并为相关男性不育症的相关确诊医治供给理论依据和办法技能。

该项研讨作业由刘默芳研讨组与武汉大学周宇研讨组、上海市计划生育科学研讨所施惠娟研讨组协作完结。分子细胞杰出中心博士戴鹏、王鑫,美国加州大学圣地亚哥分校博士苟兰涛、分子细胞杰出中心博士研讨生李智彤、温泽和武汉大学博士研讨生陈宗贵为该研讨论文的一起榜首作者。此项研讨一起得到美国加州大学圣地亚哥分校教授付向东、分子细胞杰出中心研讨员李党生、李劲松等的大力协助。该项效果遭到国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、上海市科委、我国博后基金、SA-SIBS等的经费支撑。该作业的数据搜集还得到分子细胞杰出中心公共技能服务中心动物试验技能渠道、分子生物学技能渠道和细胞剖析技能渠道以及中科院蛋白质科学中心(上海)等的支撑。