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2018年8月28日范衡宇实验室在Nature Communications 报道组蛋白H3K4me3修饰调控因子CFP1在卵母细胞减数分裂中的功能和调节机制

时间:2018年08月29日 访问次数:1726

2018年8月28日,生命科學研究院范衡宇教授实验室在Nature Communications (《自然 通讯》)发表题为“CFP1 Coordinates Histone H3 Lysine-4 Trimethylation and Meiotic Cell Cycle Progression in Mouse Oocytes”的研究论文,首次报道了一个重要表观遗传调控因子CFP1在卵母细胞减数分裂过程中的功能及自身受到的调控。

组蛋白甲基化的表观遗传修饰在生殖细胞发育和受精卵重编程过程中具有非常重要的作用。其中,组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化修饰(H3K4me3)由于在基因组中分布广泛、功能重要,近年来尤其引起本领域的关注。以组蛋白甲基转移酶SETD1为核心组成的蛋白复合体是细胞中负责生成H3K4me3修饰的主要生物大分子。SETD1复合体中有一个非常重要的亚基CxxC Finger Protein-1(CFP1),负责与DNA和修饰过的组蛋白结合,把SETD1引导到合适的基因组位置,介导在该染色质区域产生新的H3K4me3修饰。编码CFP1蛋白的基因Cxxc1被敲除的小鼠胚胎在发育第6-7天(刚刚植入子宫)即死亡,说明其功能非常重要,但也妨碍了人们详细研究该基因在生殖细胞发育中的功能。范衡宇教授实验室利用条件性基因敲除技术手段,在卵母细胞中特异性敲除了Cxxc1基因,发现Cxxc1敲除的卵母细胞中一些关键母源性基因的转录受阻,这些卵母细胞受精后不能完成合子激活,说明CFP1介导的H3K4me3修饰对卵母细胞发育潜能的建立至关重要,相关研究成果于2017年发表在Cell Reports上(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28768200)。

母源性CFP1在卵母細胞表觀遺傳修飾和建立發育潛能中的功能示意圖

在這篇新發表在Nature Communications上的論文中,範衡宇實驗室報道,Cxxc1敲除的卵母細胞的減數分裂細胞周期進程不正常,包括紡錘體組裝缺陷、染色體排列混亂、不能排出第一極體等等。這些現象不能完全由卵母細胞生長過程中積累的基因轉錄缺陷來解釋,因爲即使在那些已經充分發育、基因組不再具有轉錄活性的卵母細胞中抑制CFP1功能,也會造成減數分裂的紊亂。在進一步的機理研究中他們發現,CFP1介導的H3K4me3修飾是另一個細胞周期相關的組蛋白修飾――H3第三位蘇氨酸磷酸化(H3T3ph)的前提,如果卵母細胞在進入減數分裂時基因組中H3K4me3積累不足,就會造成H3T3ph減少,染色體不能招募參與紡錘體組裝的一系列關鍵蛋白分子,從而使細胞周期進程阻滯在減數第一次分裂的前中期。

Cxxc1基因敲除的卵母細胞具有減數分裂缺陷:紡錘體組裝和染色體排列異常,不能排出第一極體(PB1)

該研究第一次證明組蛋白H3K4me3修飾對細胞周期進程具有直接調節作用,而不是通過間接調控基因轉錄施加影響。這得益于卵母細胞這一獨特研究模型,因爲在其他活躍增殖細胞類型中,基因組轉錄與細胞周期的G2-M期轉換沒有明顯的分界,且分裂期極短(30分鍾以內),無法排除某種組蛋白修飾對轉錄的影響而專門研究其在細胞分裂中的功能。而在充分生長的卵母細胞中,基因組轉錄活動已經終止,細胞周期停滯在減數第一次分裂前期,在培養系統中自發恢複減數分裂,細胞周期自然同步化,細胞體積大(直徑70(小鼠)-160(豬)微米),分裂過程長(曆時12(小鼠)-44(豬)小時),因此具有得天獨厚的優勢。

在該研究中,課題組也首次發現,CFP1蛋白自身也受到細胞周期的緊密調控。當卵母細胞恢複減數分裂的2小時內CFP1就迅速發生泛素化降解;與此同時,細胞周期引擎激酶CDK1介導CFP1發生磷酸化修飾,降低了CFP1與組蛋白H3的結合能力。在磷酸化和泛素化的雙重抑制作用下,迅速清除了與染色質結合的CFP1,並降低了基因組中的H3K4me3水平,從而使染色質能夠排除上述蛋白造成的位阻效應,有效進行凝集。如果在卵母細胞中過表達不能降解、不能磷酸化的持續激活型CFP1,也會造成卵母細胞減數分裂和受精卵有絲分裂的紊亂,證明CFP1的雙重抑制性調控具有重要的生理意義。進而研究者把這一觀察延伸到體細胞中,在HeLa細胞中也觀察到CFP1隨著細胞進入分裂期而被降解清除、在退出有絲分裂後重新積累的現象,說明每一次細胞分裂都伴隨著SETD1-CFP1複合體在整個基因組上重新定位、每一個細胞周期都是一個表觀遺傳修飾“重新洗牌”的過程,對今後的相關研究提供了一些概念性的思考。


A:持續激活型CFP1造成受精卵的卵裂過程異常,“→”和“ ”分別指示阻滯在1細胞和2細胞期的胚胎

B:CFP1在卵母細胞減數分裂過程中受到磷酸化、泛素化雙重抑制性調控的示意圖


原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-05930-x