Science文章:刘默芳组发现相分离介导精子发育过程中蛋白质翻译激活重要机制

【字体: 时间:2022年08月13日 来源:中国科学院生物化学与细胞生物学研究所

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   [video:上海科学家发现相分离激活蛋白质翻译、确保健康精子生成]     北京时间8月12日凌晨,国际学术期刊《科学》在线发表中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)刘默芳研究组与国内外多家实验室合作的文章:“LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs”

  
[video:上海科学家发现相分离激活蛋白质翻译、确保健康精子生成]
 

  北京时间8月12日凌晨,国际学术期刊《科学》在线发表中国科学院分子细胞科学卓越创新中心(生物化学与细胞生物学研究所)刘默芳研究组与国内外多家实验室合作的文章:“LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs”。该研究报道了RNA结合蛋白FXR1可通过液-液相分离激活小鼠后期精子细胞中mRNA的翻译,保障精子形成过程的正常进行。《科学》随刊配发了法国人类遗传研究所Martine Simonelig教授撰写的题为“Activating translation with phase separation”的展望评论。文章指出,尽管RNP颗粒在发育过程中的动态变化已被描述,但解析这类颗粒的形成如何在体内发挥生物学功能仍面临巨大挑战,该研究成果极大地推动了对这一问题的解答。

  在精子细胞形变过程中,随着细胞核被逐步压缩,基因组的转录活动将逐渐降低直至完全停止。后期精子细胞发育所需基因需提前转录为信使核糖核酸(mRNA),然后以翻译抑制状态储存于信使核糖核蛋白(mRNPs),至特定发育阶段再被激活翻译,以合成蛋白质发挥功能。但这些后期精子细胞中储存的mRNA如何被翻译激活,人们对其中的机制还知之甚少。

  为了探究后期精子细胞mRNA的翻译激活机制,研究人员首先分析了不同发育阶段小鼠睾丸的多聚核糖体蛋白谱,挖掘后期精子细胞中潜在的翻译调控因子。结果显示,RNA结合蛋白FXR1显著富集于后期精子细胞的多聚核糖体组份中,且在小鼠睾丸中特异性高表达。进一步研究发现,FXR1结合一大群特异性在后期精子细胞中翻译的mRNA,且与EIF4G3等多个翻译相关因子存在相互作用。生殖细胞特异性敲除Fxr1不影响靶mRNA稳定性,但导致其在后期精子细胞中翻译活性降低、蛋白表达减少。更重要的是,Fxr1敲除小鼠无精、雄性不育,表明FXR1对后期精子细胞的翻译和精子细胞发育均至关重要。

  机制研究表明, FXR1具有蛋白浓度依赖性的液-液相分离(Liquid-liquid phase separation,LLPS)性质,且FXR1与EIF4G3等多个翻译相关因子及靶mRNA都显著富集于后期精子细胞中的FXR1颗粒中,暗示FXR1在后期精子细胞中相分离可能与其对靶mRNA的翻译激活作用密切相关。随后,研究人员利用可表征胞内RNA翻译状态的TRICK报告系统和慢病毒转导系统在培养细胞和精子细胞水平证明,FXR1相分离能力与其在细胞内形成颗粒及其靶RNA的翻译激活紧密相关。最后,研究人员利用CRISPR-Cas9结合半克隆技术构建了在生殖细胞特异性敲入相分离能力缺失的FXR1突变小鼠模型。该小鼠表现为无精、雄性不育,证明FXR1相分离为后期精子细胞mRNA翻译激活和精子形成所必需。

  基于研究发现,作者提出工作模型:在球形精子细胞中,低水平表达的FXR1可协同其他RNA结合蛋白识别部分新转录的mRNA,在细胞质中组装成翻译抑制状态的mRNPs;进入精子细胞后期,大量表达的FXR1发生相变并形成FXR1颗粒,招募EIF4G3等翻译机器,激活FXR1颗粒中存储mRNA的翻译,保障精子细胞发育和精子生成。

  该研究由分子细胞卓越中心刘默芳研究组与上海交通大学医学院附属新华医院黄旲研究组合作完成。分子细胞卓越中心康俊炎博士、温泽博士、博士生潘舵和钟艾,新华医院张玉涵博士,分子细胞卓越中心李庆博士和武汉大学博士生于兴海为该论文的共同第一作者。研究得到了美国加州大学圣地亚哥分校付向东教授,分子细胞卓越中心李劲松研究员、李党生研究员和苟兰涛研究员,武汉大学周宇教授,南京医科大学郭雪江教授,上海市计划生育科学研究所施惠娟研究员,美国贝勒医学院David L. Nelson教授等的大力协助,同时得到科技部、基金委、中科院及上海市科委等经费资助和分子细胞卓越中心GTP中心、分子生物学技术平台、细胞分析技术平台、动物实验技术平台等技术平台的支持。

  文章链接:https://doi.org/10.1126/science.abj6647

FXR1颗粒介导后期精子细胞翻译激活

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