新聞科研進展
配子質(zhì)量特別是卵子質(zhì)量（卵質(zhì)）是決定魚類繁育成功和養(yǎng)殖效率的先決條件。魚類的卵質(zhì)由卵子中所儲存的所有母源因子的集合所共同決定。開展母源因子對卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育的調(diào)控研究可以指導(dǎo)魚類卵質(zhì)的評估，提升卵質(zhì)，促進水產(chǎn)種業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。在卵子發(fā)育和成熟的過程中，大量的母源mRNA被轉(zhuǎn)錄并囤積在卵子中，其在時空上有序的翻譯激活或翻譯抑制，即翻譯控制（translational control），決定了卵子發(fā)生進程和卵子質(zhì)量，甚至是受精胚的早期發(fā)育。已有的資料表明，母源mRNA在卵子發(fā)育的過程中需要受到嚴密的翻譯控制。已報道的母源mRNA翻譯控制的機制包括通過調(diào)控mRNA的poly(A)的長度，或通過特異的RNA結(jié)合蛋白序列特異性的抑制某些mRNA的翻譯來實現(xiàn)。
12月19日，水生所孫永華研究員團隊在國際學(xué)術(shù)期刊Development上發(fā)表了題為“母源Nanog通過翻譯控制促進卵子發(fā)生和胚胎發(fā)育”的研究論文（Research Article），以斑馬魚為模型揭示了母源因子Nanog通過在全局水平調(diào)控母源mRNA的翻譯控制從而促進卵子質(zhì)量的新機制。該文被主編遴選為該期的研究亮點（Research Highlight），并配發(fā)題為“Nanog，不僅是一個多能性因子”的點評文章加以重點推薦。
圖1 當(dāng)期雜志以“Nanog，不僅是一個多能性因子”為題配發(fā)點評對孫永華團隊論文進行重點推薦
在前期研究中，該團隊利用斑馬魚模型，通過TALENs技術(shù)構(gòu)建了重要母源因子Nanog的功能缺失突變體（He et al., Mutation Research, 2015），闡明了母源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早期胚胎發(fā)育的新機制（He, et al, 2020, PLOS Biology）。然而，作為在卵子發(fā)生過程中即開始表達的重要母源基因（圖2A），Nanog在卵子發(fā)生過程中的調(diào)控作用依然未知。通過對nanog母源突變體的表型進行分析，該團隊發(fā)現(xiàn)缺失母源nanog導(dǎo)致早期胚胎嚴重敗育，突變體的卵子成熟出現(xiàn)嚴重缺陷（圖2）。
圖2 缺失母源nanog導(dǎo)致卵子成熟和早期胚胎發(fā)育缺陷
進一步的蛋白組和轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)，突變體卵子中的翻譯水平顯著上調(diào)，翻譯延伸因子eef1a1l2的轉(zhuǎn)錄水平顯著升高。在nanog突變體中敲除eef1a1l2，雙突變體的卵子中的翻譯活性顯著下調(diào)，卵子成熟缺陷得到明顯改善；更重要的是，早期胚胎發(fā)育的缺陷也得到了顯著的拯救（圖3）。
圖3 共敲除eef1a1l2可以拯救nanog突變體的卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育缺陷
通過以上研究，該團隊發(fā)現(xiàn)了母源因子Nanog通過對母源mRNA的翻譯控制調(diào)控卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育的新機制（圖4）：在野生型卵子中，Nanog通過結(jié)合在翻譯延伸因子eef1a1l2的啟動子抑制其轉(zhuǎn)錄，以確保卵子中的翻譯活性處于正常水平，產(chǎn)生的卵子可正常受精并指導(dǎo)早期胚胎發(fā)育；在nanog突變體中，由于缺失了Nanog對eef1a1l2的轉(zhuǎn)錄抑制作用，eef1a1l2在卵子中異常激活轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致卵子發(fā)生的翻譯機器異常激活，過量蛋白積累導(dǎo)致卵質(zhì)變差，最終導(dǎo)致受精后的胚胎出現(xiàn)發(fā)育缺陷；當(dāng)共敲除eef1a1l2之后，雙突變卵子中的翻譯機器恢復(fù)到正常水平，蛋白質(zhì)表達過載得到緩解，卵質(zhì)顯著提升，早期胚胎發(fā)育的缺陷也得到顯著的拯救。因此，該研究揭示了Nanog在卵子發(fā)生過程中作為轉(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)生過程進行翻譯控制，促進卵子發(fā)生和早期胚胎的發(fā)育。
圖4 Nanog通過eef1a1l2調(diào)控卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育的分子模型
值得一提的是，與眾多學(xué)者發(fā)現(xiàn)Nanog在合子基因激活時期扮演轉(zhuǎn)錄激活子的角色正好相反（Lee et al., Nature 2013; Veil et al., Genome Research 2019; Pálfy et al., PLOS Genetics 2020；Miao et al., Molecular Cell 2022），該研究發(fā)現(xiàn)Nanog在卵子發(fā)生的過程中扮演了轉(zhuǎn)錄抑制子的角色，提示Nanog作為一個先鋒因子（pioneer factor）在卵子發(fā)生和胚胎發(fā)育過程中完成了從一個轉(zhuǎn)錄抑制子向轉(zhuǎn)錄激活子的角色轉(zhuǎn)換（role switch）。
水生所何牡丹項目副研究員和博士生焦圣博為該文的共同第一作者，孫永華研究員為通訊作者，張茹博士、葉鼎副研究員及王厚鵬實驗師等參與了該項工作。這項研究得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金面上項目等資助。文中所產(chǎn)生的突變體，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。
文章鏈接：https://doi.org/10.1242/dev.201213
參考文獻：
1，He, M., Zhang, R., Jiao, S., Zhang, F., Ye, D., Wang, H., Sun, Y., 2020. Nanog safeguards early embryogenesis against global activation of maternal β-catenin activity by interfering with TCF factors. PLOS Biology 18, e3000561.
2，He, M.D., Zhang, F.H., Wang, H.L., Wang, H.P., Zhu, Z.Y., Sun, Y.H., 2015. Efficient ligase 3-dependent microhomology-mediated end joining repair of DNA double-strand breaks in zebrafish embryos. Mutat Res 780, 86-96.
3，Lee, M.T., Bonneau, A.R., Takacs, C.M., Bazzini, A.A., DiVito, K.R., Fleming, E.S., Giraldez, A.J., 2013. Nanog, Pou5f1 and SoxB1 activate zygotic gene expression during the maternal-to-zygotic transition. Nature 503, 360-364.
4，Miao, L., Tang, Y., Bonneau, A.R., Chan, S.H., Kojima, M.L., Pownall, M.E., Vejnar, C.E., Gao, F., Krishnaswamy, S., Hendry, C.E., Giraldez, A.J., 2022. The landscape of pioneer factor activity reveals the mechanisms of chromatin reprogramming and genome activation. Mol Cell 82, 986-1002 e1009.
5，Palfy, M., Schulze, G., Valen, E., Vastenhouw, N.L., 2020. Chromatin accessibility established by Pou5f3, Sox19b and Nanog primes genes for activity during zebrafish genome activation. PLOS Genet 16, e1008546.
6，Veil, M., Yampolsky, L.Y., Gruning, B., Onichtchouk, D., 2019. Pou5f3, SoxB1, and Nanog remodel chromatin on high nucleosome affinity regions at zygotic genome activation. Genome Res 29, 383-395