N6-甲基腺嘌呤修饰在卵子发生及早期胚胎发育中的调控作用.pdf
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1、310.D0I:10.12280/gjszjk.20230089N6-甲基腺嘌呤修饰在卵子发生及早期胚胎发育中的调控作用国际生殖健康/计划生育杂志2 0 2 3年7 月第42 卷第4期JIntReprodHealth/FamPlan,Ju l y 2 0 2 3,Vo l.42,No.4综述闻鑫,赵晓丽,栾祖乾,高娜,董融,夏天【摘要】N6-甲基腺嘌呤(N-methyladenosine,mA)是指RNA腺苷第6 位氮(N)原子的甲基化修饰,是哺乳动物mRNA中最为丰富的表观转录组学修饰。mA依赖于甲基转移酶(Writer)、去甲基化转移酶(Eraser)和mA结合蛋白(Reader)的共同调
2、控作用。诸多研究表明mA及其调节酶几乎存在于各个发育阶段的卵泡及早期胚胎组织中,凭借其动态、可逆、敏感的特性广泛地参与mRNA的代谢过程,在转录后水平调控卵子发生,早期胚胎的核重编程、谱系分化、种植以及妊娠维持,在很大程度上决定了女性的生育能力和妊娠结局,并有望成为诸多生殖障碍相关疾病的诊断、预后标志物以及新的治疗靶点。【关键词】RNA,信使;卵子发生;胚胎发育;甲基化;N6-甲基腺嘌呤Regulatory Role of Ne-Methyladenosine Modification in Oogenesis and Early Embryonic DevelopmentWEN Xin,ZH
3、AO Xiao-li,LUAN Zu-qian,GAO Na,DONG Rong,XIA Tian.First Teaching Hospital of TianjinUniversity of Tranditional Chinese Medicine,National Clinical Research Center for Chinese Medicine Acupunctureand Moxibustion,Tianjin 300193,ChinaCorresponding author:XIA Tian,E-mail:Abstract)Ne-methyladenosine(mA)re
4、fers to the methylation modification at the N position of adenosinein RNA,which is the most abundant epitranscriptomic modification in mammalian mRNA.mA depends on theco-regulatory effects of methyltransferase(Writer),demethylase(Eraser)and mA binding protein(Reader).Numerous studies have shown that
5、 mA and its regulatory enzymes are present in the follicles and early embryonictissues at all development stages,and that mA is extensively involved in the mRNA metabolic processes by virtueof their dynamic,reversible and sensitive properties.Therefore,mA participates in the regulation of oogenesis,
6、nuclear reprogramming,lineage differentiation,implantation,and gestation maintenance of early embryos at thepost-transcriptional level.Because mA is largely related to female fertility and pregnancy outcome,mA may be anew marker of diagnosis and prognosis of many reproductive diseases,or a potential
7、 therapeutic target.Keywords RNA,messenger;Oogenesis;Embryonic development;Methylation;N6-methyladenosine(J Int Reprod Health/Fam Plan,2023,42:310-316)作为哺乳动物RNA中最常见的转录后修饰,N6-甲基腺嘌呤(N-methyladenosine,mA)于2 0 世纪70年代首次被发现,近期随着高通量测序的发展,mA成为生物医学领域的研究热点。通过参与RNA代谢的每一个阶段,,包括翻译、出核、剪接与衰变,mA在细胞增殖、分化、代谢等多种生物学过程中
8、发挥重要作用。早期mA相关研究多集中于肿瘤和心血管领域,最近其在生殖过程中的调控作用也备受瞩目。本文重点论述mRNA上的mA修饰在卵子发生、胚胎发生及发育过程中动态、可逆的时空调控作用,旨在为mA修饰在生殖领域的基础研究与临床应用提供理论依据和技术支撑,对于建立一个基于基金项目:天津市教委科研计划项目(2 0 19KJ054)作者单位:30 0 193天津中医药大学第一附属医院,国家中医针灸临床医学研究中心通信作者:夏天,E-mail:x i a t i a n 7 6 16 3.c o m审校者卵子质量、胚胎植人能力和发育潜能、子宫内膜容受性的生殖结局评估体系,挖掘生殖障碍相关疾病的分子标志
9、物以及有效的早诊断及干预策略具有重要意义。1mRNA mA修饰的概述mA修饰位点大多分布在GAmACA/C/U保守序列上,并富集于mRNA的终止密码子、3-非翻译区(3-non-translational region,3-UTR)或非编码RNA中的长外显子区。由甲基转移酶“Writer负责将mA修饰添加到RNA上;去甲基化转移酶“Eraser介导mA修饰的去除;mA结合蛋白“Reader识别并介导RNA的翻译、降解、剪接等代谢活动。其中,mAWriter是一个主要由甲基转移酶样3(methyltransferase like 3,METTL3)、M ET T L14,W i l m s肿瘤抑
10、制因子1相关蛋白(Wilmstumor1-associatingprotein,WTAP)、病毒样mA甲基转移酶相关蛋白国际生殖健康/计划生育杂志2 0 2 3年7 月第42 卷第4期JIntReprodHealth/FamPlan,July2023,Vol.42,No.4(vir like mA methyltransferase associated protein,VIRMA/KIAA1429)等组成的甲基转移酶复合体(mA-METTLcomplex,MTC)2。m A Er a s e r 包括肥胖相关蛋白(fat mass and obesity associated protein
11、,FTO)和AlkB同源蛋白5(AlkB homologue 5,ALKBH5)3。mAReader包括具有YT521-B同源(YTH)结构域的YTHDC1-2、YT H D F1-3,以及不含YTH结构域的核内不均一核糖核蛋白(heterogeneous nuclearribonucleoproteins,hnRNP)家族成员HNRNPA2B1、HNRNPC和HNRNPG,以及胰岛素样生长因子2mRNA结合蛋白1-3(insulin-like growth factor 2mRNAbinding protein 1-3,IGF2BP1-3)等3。2mRNAmA修饰参与卵子发生卵子发生始于胚胎
12、期,卵原细胞经历数次有丝分裂增殖后,启动减数第一次分裂,由此形成的初级卵母细胞在出生后停滞于减数第一次分裂前期(m e i o t i c p r o p h a s e I,M PI)的双线期,即生发泡(germinal vesicle,GV)期,并与其周围的单层扁平颗粒细胞(granulosa cells)共同构成原始卵泡4-5。青春期后,部分原始卵泡被募集到生长卵泡期,该阶段以卵母细胞生长和颗粒细胞增殖为特征。在激素和细胞外信号的刺激下,优势卵泡的卵母细胞恢复减数分裂,生发泡破裂(CVbreakdown),排出第一极体,排卵后停滞于减数第二次分裂中期(MI)。母源mRNA在卵母细胞的生长
13、阶段大量合成并积累,在完全成熟的GV期卵母细胞中转录关闭6-7 ,故其在转录后水平的精确调控对卵母细胞成熟至关重要8。mA修饰通过调控mRNA的转录、可变剪接、降解等代谢活动参与调控卵子发生的各个阶段。2.1mRNA mA修饰调控卵母细胞减数第一次分裂的启动和阻滞减数第一次分裂的适时启动和阻滞是调节有丝分裂向减数分裂顺利过渡的前提。据报道,mAReaderYTHDC2在转录后水平抑制有丝分裂相关基因的表达,是减数分裂适时启动的关键调控因子,并在卵原细胞减数分裂期间表达升高,通过调控卵母细胞减数第一次分裂的启动和阻滞,在卵子发生的过程中具有重要的调控作用9。Bailey等10 研究表明,Ythd
14、c2缺陷的胚胎期雌鼠卵母细胞仅少量正常启动减数分裂,而多数停滞在有丝分裂中期并持续表达G1期有丝分裂标志物细胞周期蛋白D1(Cy c l i n D 1),且减数分裂相关蛋白DMC1表达缺陷,染色质浓缩异常。出生后雌鼠的卵巢中卵泡数量显著减少,并在成年后表现为子宫壁薄、卵巢311体积小、卵泡成熟障碍及不孕。Wojtas等报道,Ythdc2-突变雌鼠的卵巢高度萎缩,卵原细胞的减数分裂启动和进展受阻,发生调亡,导致雌性不育。此外,多项研究表明YTHDC2可与减数分裂特异性蛋白MEIOC的卷曲螺旋结构域结合,形成YTHDC2-MEIOC复合物,通过调节有丝分裂及减数分裂相关转录本的稳定性和翻译效率,
15、对维持MPI阶段减数分裂阻滞、防止减数分裂提前至关重要12-15。另有研究报道,在YTHDC2-MEIOC复合物作用缺失的条件下,卵母细胞可以启动MPI,但进展至细线期和偶线期,便过早地退出MPI并进人异常的减数第一次分裂中期(MI),发生染色体重组和分离缺陷,呈异常的单价体而非二价体,且持续表达有丝分裂周期蛋白CCNA2,并在成年后大量调亡。最新的一项基于人类胚胎卵巢组织的分析表明,YTHDC2错义突变与不明原因早发性卵巢功能不全的病理发生密切相关9。2.2mRNAmA修饰参与GV期卵母细胞发育颗粒细胞通过缝隙连接和旁分泌的形式建立与卵母细胞的双向交流,研究表明颗粒细胞中mA修饰介导的mRN
16、A代谢对GV期卵母细胞质量和发育潜能具有重要的调控作用。颗粒细胞中胰岛素抵抗与多囊卵巢综合征(polycystic ovarian syndrome,PCOS)的发病机制密切相关。正常排卵女性的颗粒细胞中,YTHDF2介导的mA修饰可诱导叉头框蛋白0 3(forkhead boxO3,FOXO3)mRNA的降解,而PCOS患者颗粒细胞中FOX03mRNA对mA修饰不敏感,呈异常的低甲基化水平,转录本降解失败,FOXO3mRNA水平异常升高16 ,进而导致PCOS患者颗粒细胞中胰岛素信号转导缺陷以及胰岛素抵抗 7。Zhou等18 发现PCOS患者颗粒细胞中过表达的FTO可通过靶向降低脂筱结构蛋白
17、2(Flotllin2,FLOT2)mRNA上mA修饰的水平,增强其转录本的稳定性和表达量,进而促进颗粒细胞增殖,抑制胰岛素诱导的葡萄糖转运体4(glucose transporter 4,GLUT4)转运,导致胰岛素抵抗和排卵障碍性不孕。此外,FLOT2的缺失可削弱FTO过表达对颗粒细胞调亡和增殖的抑制和促进作用,有效缓解胰岛素抵抗,提示FTO/FLOT2信号通路在PCOS病理机制及治疗靶点中的重要意义。在卵巢衰老过程中,活性氧(reactive oxygen species,ROS)的积累导致颗粒细胞中FTO的表达下降,进而导致衰老相关因子FOSmRNA3-UTR区的mA含量增加,FOSm
18、RNA降解受阻,转录增加,造成颗粒细胞相关的卵巢衰老,提示mA介导的FTO/FOS信号通312.路参与卵巢衰老的病理进展9。目前,mA修饰在颗粒细胞和卵母细胞中的研究都是基于临床样本的差异表达分析和修饰位点分析,后续研究应在细胞和动物水平上进行机制研究和验证。2.31mRNAmA修饰参与卵母细胞减数分裂成熟卵母细胞减数分裂恢复以生发泡破裂为标志,第一极体排出标志减数分裂成熟。卵母细胞的减数分裂成熟依赖于生长阶段储存的母源mRNA的聚腺苷酸化和翻译激活。mAReaderYTHDC1被证明可通过与前信使RNA(p r e-m RNA)3 末端的加工因子剪切和聚腺苷酸化特异因子6(cleavage
19、andpolyadenylation specificity factor 6,CPSF6)以及富含丝氨酸和精氨酸的可变剪接因子3(serine/arginine-rich splicing factor 3,SRSF3)、SRSF7 相互作用,调控聚腺苷酸化位点的选择,决定3-UTR的长度,进而影响转录本的翻译效率、稳定性和定位2 0 。Kasowitz等2 发现Ythdc1在雌鼠卵母细胞中的特异性失活引起了广泛的选择性聚腺苷酸化和可变剪接缺陷,胞质中出现了大量由RNA代谢异常而引起的大RNA颗粒,并最终导致初级卵母细胞减数分裂恢复失败和不孕。此外,GV期卵母细胞经历生发泡破裂需要完成从转录
20、活跃的非包围核仁(non-surroundednucleolus,NSN)型到转录沉默的包围核仁(s u r r o u n d e d n u c le o lu s,SN)型的染色质构型转变,以获取更高的减数分裂恢复能力。据报道,mAWriterKIAA1429介导的mA修饰通过影响染色质构型以及卵子发生相关基因的RNA代谢调控卵母细胞的减数分裂恢复能力和发育潜能。Kiaa1429的缺失降低了卵母细胞的mA水平,卵子发生相关基因出现外显子跳跃和可变剪接缺陷,染色质构型未能转变为SN型,生发泡破裂发生率和第一极体排出率显著降低,减数分裂恢复失败,导致卵泡发育缺陷以及不孕症2 。Mu等8 报道
21、METTL3介导的mA修饰可被mAReaderIGF2BP3识别,这两种mA调控蛋白协同增强GV期母源mRNA尤其是减数分裂成熟相关因子Itsn2转录本的稳定性,对卵母细胞减数分裂恢复至关重要。卵母细胞中Mettl3失活导致IGF2BP3无法识别Itsn2mRNA,引起Itsn2mRNA降解,生发泡破裂受阻,减数分裂成熟障碍,次级卵泡中出现的大量DNA双链断裂标志着卵母细胞发生凋亡。另有研究表明猪卵母细胞减数分裂成熟期间,卵母细胞胞质中mA及其调节因子METTL3、W T A P和FTO的表达水平显著增加。在卵母细胞体外成熟过程中,使用甲基化抑制剂环亮氨酸干预卵丘-卵母细胞复合体国际生殖健康/
22、计划生育杂志2 0 2 3年7 月第42 卷第4期JIntReprodHealth/FamPlan,Ju l y 2 0 2 3,Vo l.42,No.4(cumulus-oocyte complex,Coc),显著降低了胞质中的mA水平,通过下调多能性标志物Lin28mRNA的丰度干扰成熟促进因子(maturation-promotingfactor,MPF)信号通路,导致纺锤体形态异常和染色体错位比例增加,卵母细胞生发泡破裂率显著降低,卵子发生受阻2 3。关于mA修饰调控卵母细胞减数分裂成熟的相关研究仅限于基础的实验研究,需要更多的临床研究进一步验证其在卵子发生中的作用。2.4mRNAmA
23、修饰作用于MI期卵母细胞并调控排卵在卵母细胞减数分裂成熟过程中,约有20%的母源性mRNA降解,M期转录组的相对变化是决定卵母细胞发育潜能的重要因素。mA修饰被证实可通过介导母源mRNA的降解以及纺锤体组装调控MI期卵母细胞的发育及排卵。Ivanova等2 4 发现在卵泡发育过程中,mAReaderYTHDF2在卵母细胞和颗粒细胞中均有表达,调节卵母细胞成熟过程中转录本剂量对于产生能够维持早期胚胎发育的MI期卵母细胞至关重要。Ythdf2基因敲除的雌性小鼠虽然能够正常排卵,并产生正常数量的MI期卵母细胞,但却表现为不孕。研究表明,Ythdf2缺失导致卵母细胞成熟过程中母体转录组处理错误,Yth
24、df2靶向的mRNA降解受阻,卵母细胞发育潜能降低。Sui等7 报道mAWriterMETTL3在MI期卵母细胞中呈高表达,通过介导mA甲基化修饰调节纺锤体组装和M期卵母细胞的母源mRNA降解。完全成熟的GV期卵母细胞中特异性敲降Mettl3导致mA水平及卵母细胞中整体mRNA的翻译效率降低,尤其是与纺锤体形成和染色体聚集相关的基因,如Cltc、Pc n t、Sp d l-1和Msy2,出现大量由纺锤体异常和染色体分离缺陷导致的非整倍体卵母细胞。3mRNA mA修饰参与早期胚胎的发育和种植由于从成熟的GV期卵母细胞至4-8 细胞期胚胎,基因组始终处于转录沉默状态,早期胚胎发育依赖于卵母细胞生长
25、阶段所积累的母源mRNA及蛋白产物。随后母源mRNA逐渐降解,合子基因组激活(z y g o t i c g e n o m e a c t i v a t i o n,ZG A)以指导后续的胚胎发育,这种从母体到子代的发育调控权转变被称为母源到合子的过渡(maternal-to-zygotic transition,MZT)。ZG A 后,在桑葚胚期谱系分化形成的滋养外胚层和内细胞团经过不对称分裂形成囊胚腔2 5。囊胚期,内细胞团进一步分化形成原始内胚层和外胚层。随后,通过母胎界面交流依次完成定位、黏附、国际生殖健康/计划生育杂志2 0 2 3年7 月第42 卷第4期JIntReprodHe
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