付向東團隊揭示受精後父本基因組重編程起始機制

2020-12-06 科學網

付向東團隊揭示受精後父本基因組重編程起始機制

作者：

小柯機器人

發布時間：2020/3/13 13:30:30

 

近日，美國加州大學聖地牙哥分校付向東團隊發現，剪接激酶SRPK1催化魚精蛋白磷酸化從而起始受精卵母細胞中父本基因組的重編程。這一研究成果於2020年3月12日在線發表在國際學術期刊《細胞》上。

據研究人員介紹，在精子形成過程中，父本基因組會用魚精蛋白對組蛋白進行大量置換，從而包裹進精子。

魚精蛋白是一類由組蛋白進化而來的富含精氨酸的小核蛋白，相對於常規組蛋白，魚精蛋白帶有更強的正電荷，因此其與DNA具有更強的結合能力。

而在受精之後，這一過程將被強烈逆轉，即用母源組蛋白替換包裹精子DNA的魚精蛋白，這對於父本基因組重編程和隨後的激活至關重要。

但是，人們對於這一基本過程如何啟動和監管了解甚少。

研究人員發現，先前表徵的剪接激酶SRPK1通過催化魚精蛋白的位點特異性磷酸化來啟動這一生命周期事件，從而觸發受精卵母細胞中魚精蛋白與組蛋白的交換。

有趣的是，魚精蛋白經歷了依賴於DNA的相變，轉變為凝膠狀濃縮物，而SRPK1介導的磷酸化可能有助於打開這樣的結構，從而增強被核質蛋白（NPM2）釋放的魚精蛋白，並使HIRA募集用於H3.3聚集。

值得注意的是，轉座酶可及的染色質測序（ATAC-seq）分析的全基因組測定顯示，精子和MII卵母細胞中的選擇性染色質可及性在很大程度上以魚精蛋白磷酸化依賴性的方式在早期的原核中被消除，這表明SRPK1催化的磷酸化引發了兩個親本基因組中高度同步的重組程序。

因此，這些結果表明，受精後母源SRPK1能夠能夠磷酸化父源基因組魚精蛋白從而啟動父本基因組重編程，而魚精蛋白磷酸化位點的突變則會抑制組蛋白置換過程。

這為相關人類不孕症提供了新的視角與潛在治療靶點。

更多閱讀

付向東，美國加州大學聖地牙哥分校細胞與分子醫學教授。其實驗室一直專注於基因表達的轉錄後調控研究，聚焦mRNA選擇性加工的機制、調控和生物學後果。（據加州大學聖地牙哥分校網站）

附：英文原文

Title: Initiation of Parental Genome Reprogramming in Fertilized Oocyte by Splicing Kinase SRPK1-Catalyzed Protamine Phosphorylation

Author: Lan-Tao Gou, Do-Hwan Lim, Wubin Ma, Brandon E. Aubol, Yajing Hao, Xin Wang, Jun Zhao, Zhengyu Liang, Changwei Shao, Xuan Zhang, Fan Meng, Hairi Li, Xiaorong Zhang, Ruiming Xu, Dangsheng Li, Michael G. Rosenfeld, Pamela L. Mellon, Joseph A. Adams, Mo-Fang Liu, Xiang-Dong Fu

Issue&Volume: 2020-03-12

Abstract: The paternal genome undergoes a massive exchange of histone with protamine for compactioninto sperm during spermiogenesis. Upon fertilization, this process is potently reversed,which is essential for parental genome reprogramming and subsequent activation; however,it remains poorly understood how this fundamental process is initiated and regulated.Here, we report that the previously characterized splicing kinase SRPK1 initiatesthis life-beginning event by catalyzing site-specific phosphorylation of protamine,thereby triggering protamine-to-histone exchange in the fertilized oocyte. Interestingly,protamine undergoes a DNA-dependent phase transition to gel-like condensates and SRPK1-mediatedphosphorylation likely helps open up such structures to enhance protamine dismissalby nucleoplasmin (NPM2) and enable the recruitment of HIRA for H3.3 deposition. Remarkably,genome-wide assay for transposase-accessible chromatin sequencing (ATAC-seq) analysisreveals that selective chromatin accessibility in both sperm and MII oocytes is largelyerased in early pronuclei in a protamine phosphorylation-dependent manner, suggestingthat SRPK1-catalyzed phosphorylation initiates a highly synchronized reorganizationprogram in both parental genomes.

DOI: 10.1016/j.cell.2020.02.020

Source: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30164-1

Cell：《細胞》，創刊於1974年。隸屬於細胞出版社，最新IF：36.216

相關焦點

  • 人類早期胚胎發育組蛋白修飾重編程規律
    表觀遺傳學修飾參與基因表達調控並調控個體發育。在哺乳動物早期發育過程中，卵母細胞受精後形成具有全能性的受精卵，並經過細胞分裂與分化形成植入前囊胚，後者包含具有多能性的內細胞團（ICM）。伴隨著發育的進行，表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。
  • 揭示為何父本線粒體在受精後不會遺傳給後代
    人們還發現在幾乎所有動物的繁殖期間，只有母本線粒體DNA傳遞給後代，而父本線粒體DNA在它發揮影響之前就在受精卵中被選擇性地摧毀了。這個過程背後的精確機制一直是不清楚的。談及線粒體遺傳時，為何母體基因是以犧牲父本基因的代價來發揮統治力呢？
  • 中國科學家發現人類早期胚胎發育組蛋白重編程規律
    據鄭州大學第一附屬醫院網站消息，近日，鄭州大學第一附屬醫院孫瑩璞/徐家偉課題組、清華大學生命科學院頡偉課題組合作研究揭示了人類早期胚胎發育組蛋白修飾重編程規律，發現人類早期胚胎發育染色質獨特的親本到合子表觀基因組的轉換模式，提出「Epigenome rebooting（表觀基因組重啟）」模型。
  • 頡偉組發表綜述總結哺乳動物早期發育中的表觀遺傳重編程
    在這個過程中，一個重要的生物學問題是表觀遺傳記憶是如何進行遺傳和重編程以完成親本到合子的發育轉變。近年來，微量細胞表觀遺傳和表觀基因組分析技術的快速發展使得在分子層面揭示這一過程的動態調控和功能成為可能。
  • 科學家揭示DDX5對體細胞重編程的關鍵作用
    該文章首次揭示了RNA結合蛋白(RBP)DDX5對體細胞重編程的重要作用和調節機制，這將加深人們對RBP介導細胞命運決定的認識。 RBPs不僅在維持細胞內穩態有重要的功能，在分化和維持細胞特性等方面也發揮著重要作用。儘管RBPs功能的多樣性和必要性幾乎涉及了RNA代謝的所有過程，但RBPs在細胞命運轉變中的機制有待進一步研究。
  • ...組在《科學》期刊合作發文揭示人類早期胚胎組蛋白修飾重編程過程
    清華生命學院頡偉課題組在《科學》期刊合作發文揭示人類早期胚胎組蛋白修飾重編程過程清華新聞網7月8日電 清華大學生命科學學院頡偉課題組與鄭州大學第一附屬醫院孫瑩璞/徐家偉課題組合作，揭示了人類早期發育過程中組蛋白修飾的重編程過程。
  • 同濟大學高紹榮/江賜忠合作揭示胚胎發育過程的重編程模式
    2017年頡偉和劉江團隊背靠背報導了從小鼠受精後到著床前發育各個階段的胚胎染色質高級結構經歷了劇烈的重編程結構重組【1,2】。最近，劉江和陳子江團隊揭示了人類早期胚胎的染色體三維結構的動態變化過程中，CTCF蛋白對拓撲相關結構域（TAD）起著重要的調控作用（詳見BioArt報導：專家點評Nature丨劉江/陳子江合作團隊揭示人類精子和胚胎染色體三維結構建立的奧秘）【3】。
  • 鄭大一附院專家組揭示人類早期胚胎發育「表觀基因組重啟」機制
    近日，鄭州大學第一附屬醫院孫瑩璞/徐家偉課題組、清華大學生命科學院頡偉課題組合作研究揭示了人類早期胚胎發育組蛋白修飾重編程規律，發現人類早期胚胎發育染色質獨特的親本到合子表觀基因組的轉換模式，提出「Epigenome rebooting（表觀基因組重啟）」模型。
  • ...合作揭示小鼠體細胞核移植胚胎發育過程中染色質高級結構重編程...
    【科技前沿】高紹榮/江賜忠合作揭示小鼠體細胞核移植胚胎發育過程中染色質高級結構重編程模式及分子機制​ 2020-04-15 17:54 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 我國科學家揭示人類早期胚胎組蛋白修飾重編程
    伴隨著發育的進行，表觀遺傳學修飾經歷了劇烈的重編程。近年來，以小鼠等模式生物為研究模型，DNA甲基化、染色質開放性、染色質高級結構以及組蛋白修飾等表觀遺傳學特徵的動態變化過程和規律都逐漸被揭示。　　2019年7月4日，鄭州大學孫瑩璞課題組與清華大學頡偉課題組在Science上發表研究長文Resetting histone modifications during human parental-to-zygotic transition，揭示了人類早期發育過程中組蛋白修飾的重編程過程。
  • 細胞編程與重編程的機制
    細胞編程與重編程研究是對生命本質的探索，其對推動幹細胞研究走向應用和臨床都具有重要的作用，加強相關研究對未來人類健康的保障至關重要。　　在「十二五」期間，中國科學院動物研究所研究員、中國科學院院士周琪帶領動物所幹細胞研究團隊對細胞編程與重編程研究進行了整體布局，從基礎理論、核心技術、轉化應用幾個層面開展系統研究，在過去五年中取得了一系列突破性的研究成果，建立了多項創新性的技術體系，在國際國內同領域的研究中起到了重要的引領和推動作用。
  • 【學術前沿】頡偉組發表綜述總結哺乳動物早期發育中的表觀遺傳重...
    在這個過程中，一個重要的生物學問題是表觀遺傳記憶是如何進行遺傳和重編程以完成親本到合子的發育轉變。近年來，微量細胞表觀遺傳和表觀基因組分析技術的快速發展使得在分子層面揭示這一過程的動態調控和功能成為可能。
  • Science:我國科學家揭示人類早期胚胎發育中的組蛋白修飾重編程
    組蛋白修飾（histone modification）是指組蛋白在相關酶作用下發生甲基化、乙醯化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修飾的過程。組蛋白上發生甲基化的位點是賴氨酸和精氨酸。賴氨酸能夠分別發生一、二、三甲基化，精氨酸只能發生一、二甲基化。在組蛋白H3上，共有5個賴氨酸位點可以發生甲基化修飾。
  • ...哺乳動物合子基因組激活過程中RNA聚合酶參與轉錄起始的調控機理
    清華新聞網11月2日電 近日，清華大學生命學院頡偉研究組通過開發高靈敏度檢測蛋白和DNA在全基因組相互作用的新方法——Stacc-seq，揭示了小鼠早期胚胎中RNA聚合酶II通過「三步走」的模式參與實現基因組激活的過程。
  • 新加坡國立大學俞皓教授團隊揭示父母本協同調控種子大小的新機制
    因此，印記基因是否是親本協調調控種子發育的決定性機制，以及是否有其他機制參與調控父母本協同影響種子發育還仍然未知。助細胞已知具有誘導花粉管，幫助精子完成受精的功能，而反足細胞在受精後逐漸凋亡降解，其功能一直未知。
  • 北大團隊首次單細胞水平上剖析早期胚胎甲基化動態
    ，揭示了人類早期胚胎DNA去甲基化和從頭加甲基化的動態變化、父母本基因組差異甲基化等關鍵特徵，研究成果「Single-cell DNA Methylome Sequencing of Human Preimplantation Embryos」2017年12月19日發表在國際知名學術期刊《自然遺傳學》上。
  • Sox2/Ddx5與R-loop協同調控體細胞重編程機制獲揭示—新聞—科學網
    Sox2/Ddx5與R-loop協同調控體細胞重編程機制獲揭示相關研究6月10日在線發表於《科學進展》。 「基因表達調控是決定細胞命運的重要因素，通過改變基因的表達模式即可實現對細胞命運的精準調控。」姚紅傑表示，在基因轉錄過程中，會形成一種由單鏈DNA和DNA:RNA雜合鏈組成的三鏈核酸結構，稱為R-loop。已有研究報導R-loop相關蛋白很多都是RBP，然而RBP如何協同R-loop在細胞命運決定中發揮作用尚不清楚。
  • Cell:揭示精卵結合後精子DNA起始解壓縮及染色質重構的重要機制
    當精子與卵細胞結合後，新生命迅速開啟一系列染色質重編程程序，從而實現自身基因組激活（受精卵基因組激活，ZGA）。近年來，隨著基因組學技術（Genomic Profiling）的廣泛應用，我們對這一胚胎早期發育過程各個階段的生物學事件有了長足的認識和理解，但受精卵如何在第一時間啟動染色質重編程仍是發育生物學領域內長久以來的未解之迷。
  • 頡偉組發表合子基因組激活過程中RNA聚合酶參與的調控機理
    受精後，基因組仍然在一段時間內保持沉默，而在受精卵分裂到一定時期後（比如小鼠在2細胞晚期，人在8細胞時期），基因組迅速激活並完成，同時母源積累的RNA逐漸降解，最終完成從母源轉錄組向合子轉錄組的轉變。RNA聚合酶II通過「三步走」的模式參與實現基因組激活的過程。
  • STM | Beclin1在心肌重編程中的作用及分子調控機制
    但是，心肌細胞重編程的效率較低，分子機制不甚清晰，極大限制了該技術的轉化研究。該論文揭示了調控iCM命運轉換的自噬依賴性和非依賴性途徑。一方面，在iCM重編程中， Atg5依賴性自噬被誘導並且可以促進iCM的重編程。另一方面，自噬因子 Becn1與PI3K III複合物相互作用後可以抑制經典的Wnt /β-catenin信號通路，進而以與自噬無關的方式負調控iCM的誘導。