12月7日，國際學(xué)術(shù)期刊EMBO Journal在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱學(xué)良研究組與景乃禾研究組的最新研究成果 “Maternal mRNA deadenylation and allocation via Rbm14 condensates facilitate vertebrate blastula development”。研究人員揭示了Rbm14和母源m6A-mRNA、脫腺苷酸酶Parn共同相分離形成的胞質(zhì)凝聚體行使部分母源mRNA的脫腺苷酸化、儲存及分配功能，從而促進(jìn)脊椎動物囊胚期的正常進(jìn)行。
受精卵的基因組一開始是轉(zhuǎn)錄沉默的，從卵母細(xì)胞積累而來的母源mRNA隨著卵裂被漸次分配到子細(xì)胞中，為早期胚胎發(fā)育提供蛋白質(zhì)翻譯模板。隨著合子基因組激活(Zygotic Genome Activation, ZGA)，基因轉(zhuǎn)錄逐漸旺盛，母源mRNA也被相應(yīng)清除，直到胚胎完全依賴于基因組轉(zhuǎn)錄的mRNA。這一被稱為母源-合子轉(zhuǎn)換（maternal-to-zygotic transition）的過程，在不同物種中差異很大。比如斑馬魚胚胎對母源mRNA的依賴從1-細(xì)胞期至少持續(xù)至1000-細(xì)胞期，而小鼠胚胎在2-細(xì)胞中期后母源mRNA便大量降解。母源mRNA的蛋白質(zhì)翻譯活性和穩(wěn)定性受到精細(xì)的調(diào)控。果蠅、斑馬魚、非洲爪蟾等物種的卵受精后，有些母源mRNA會被迅速脫腺苷酸化，導(dǎo)致翻譯活性的抑制，隨后可通過胞質(zhì)多腺苷酸化（cytoplasmic polyadenylation）重新獲得poly(A)尾。有趣的是，通常脫腺苷酸化的mRNA很快會被降解，但在早期胚胎中卻能保持?jǐn)?shù)小時的穩(wěn)定，其內(nèi)在機(jī)理尚不清楚。
有趣的核質(zhì)定位變化的現(xiàn)象
朱學(xué)良研究組之前的研究發(fā)現(xiàn)一個核定位的RNA結(jié)合蛋白Rbm14通過C端的內(nèi)在無序區(qū)（Intrinsically Disordered Region, IDR）形成液態(tài)凝聚體，并調(diào)控了斑馬魚原腸胚時期背腹軸的形成。由于Rbm14也是母源蛋白質(zhì)因子，作者研究了它在斑馬魚早期胚胎中的定位，并驚訝地發(fā)現(xiàn)從4-細(xì)胞期（受精后1小時）至ZGA（1000-細(xì)胞期，受精后3小時）之前Rbm14位于細(xì)胞質(zhì)中并形成大量液態(tài)凝聚體，該凝聚體在有絲分裂期與中心體蛋白g-tubulin共同富集在紡錘體兩極，并且在8-16細(xì)胞期沿著胚胎中線（Midline）呈不對稱分布，說明它們可以被不均等地分配到子細(xì)胞中。隨著ZGA啟動該凝聚體逐漸消失，Rbm14也逐漸定位到細(xì)胞核內(nèi)。
時間-空間調(diào)控的蛋白質(zhì)-RNA凝聚體
核蛋白Rbm14在胞質(zhì)形成凝聚體，是否由于其結(jié)合某些胞質(zhì)因子？考慮到母源控制期的細(xì)胞質(zhì)中存在大量母源mRNA，研究者首先采用RNA染料進(jìn)行染色，結(jié)果表明Rbm14凝聚體內(nèi)部富含母源RNA。文獻(xiàn)報道斑馬魚的母源mRNA中存在N6-甲基腺苷（m6A）和5-甲基胞嘧啶（m5C）兩種甲基化修飾，其中m6A修飾水平在受精后2小時（2hpf）達(dá)到最高之后逐漸降低，m5C水平繼而逐漸升高。通過體外相分離實驗，研究人員分別證明了無甲基化修飾的RNA、m6A-RNA促進(jìn)該凝聚體的形成并與Rbm14共同相分離，反之m5C修飾抑制該凝聚體的形成。
研究人員進(jìn)一步探索了Rbm14凝聚體的生理功能：斑馬魚和小鼠中Rbm14缺失的胚胎發(fā)育均停滯在囊胚期且胚胎致死，表明其對囊胚期發(fā)育的重要性；在斑馬魚胚胎中通過Rbm14敲低和挽救實驗，證明了Rbm14的相分離和RNA結(jié)合對囊胚期發(fā)育是必需的。RNA深度測序結(jié)果表明Rbm14缺失的斑馬魚胚胎中有大量母源mRNA累積，體外poly(A)尾長測定實驗證實了部分母源mRNA的poly(A)尾未被脫腺苷酸化。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)脫腺苷酸酶Parn與Rbm14相互作用并通過共同相分離促進(jìn)Rbm14凝聚體形成。而且，Rbm14凝聚體中的Parn表現(xiàn)出很高的脫腺苷酸酶活性。
根據(jù)實驗結(jié)果，研究者提出Rbm14凝聚體在時間-空間層面調(diào)控早期胚胎發(fā)育的分子機(jī)制模型：Rbm14凝聚體通過Parn促進(jìn)其中母源mRNA脫腺苷酸化，暫時儲存脫腺苷酸后的mRNA以免其降解，并在有絲分裂期以對稱或不對稱的方式被分配到子代細(xì)胞中。隨著發(fā)育進(jìn)行，Parn水平降低，m5C修飾增加，Rbm14凝聚體逐漸解聚，釋放無poly(A)尾的mRNA，使其可通過多腺苷酸化再次激活或被降解而清除，使細(xì)胞增殖、分化和母源-合子轉(zhuǎn)換過程正常進(jìn)行，從而促進(jìn)囊胚向原腸胚的發(fā)育轉(zhuǎn)變。
該研究揭示了Rbm14凝聚體在脊椎動物中通過協(xié)調(diào)mRNA的脫腺苷酸化、多腺苷酸化、m6A與m5C表觀修飾等多個調(diào)控過程，動態(tài)又精細(xì)地調(diào)控了母源mRNA的翻譯活性和穩(wěn)定性。研究者推測，Rbm14凝聚體還可能通過在有絲分裂期將母源mRNA均等或差異地分配到子細(xì)胞中，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和命運(yùn)。
分子細(xì)胞卓越中心朱學(xué)良和景乃禾研究員為論文通訊作者，中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院博士后肖悅、分子細(xì)胞卓越中心陳介會博士為論文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心李勁松研究員、楊蘇明博士、孫鴻華、謝樂樂為合作者。該研究得到科技部國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金委、科技部浙江省博士后基金的資助，以及分子細(xì)胞卓越中心斑馬魚平臺、細(xì)胞分析技術(shù)平臺和分子生物學(xué)技術(shù)研究平臺等的技術(shù)支持。
文章鏈接：https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embj.2022111364
斑馬魚早期胚胎發(fā)育中Rbm14的定位
A. 受精后1-6小時（hpf）胚胎分裂間期的細(xì)胞中Rbm14從胞質(zhì)定位逐漸變?yōu)楹硕ㄎ弧＞G色標(biāo)注Rbm14，紫色標(biāo)注DNA（DAPI）。 B. 有絲分裂期Rbm14凝聚體聚集在紡錘體兩極呈不對稱或?qū)ΨQ分布，從左至右依次為：8-細(xì)胞期、16-細(xì)胞期、64-細(xì)胞期胚胎。綠色標(biāo)注Rbm14，藍(lán)色標(biāo)注g-Tubulin，紅色標(biāo)注DNA（DAPI）。
Rbm14凝聚體調(diào)控早期胚胎發(fā)育的模式圖
