H3K9me2介导的ST18转录抑制解除调控减数分裂基因表达并协调雌性生殖细胞发育

本研究针对雌性生殖细胞减数分裂过程中表观遗传重编程的调控机制展开，发现EHMT1介导的H3K9me2（组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化）重建通过抑制转录抑制因子ST18的表达，解除其对减数分裂关键基因（如Dmc1、Spata22等）的转录抑制，从而促进减数分裂进程。该研究揭示了H3K9me2-ST18-减数分裂基因轴在雌性生殖细胞发育中的核心调控作用，为生殖障碍性疾病提供了新的分子机制解释。

　　

在哺乳动物生殖细胞发育过程中，表观遗传重编程（epigenetic reprogramming）扮演着至关重要的角色。原始生殖细胞（PGCs）在迁移至生殖嵴后，会经历剧烈的表观遗传修饰变化，包括DNA去甲基化和组蛋白修饰的动态改变。然而，这些修饰如何在性分化后调控雌性生殖细胞进入减数分裂，仍是未解之谜。尤其令人困惑的是，组蛋白H3第9位赖氨酸二甲基化（H3K9me2）在减数分裂过程中的时空特异性重建机制及其功能尚未阐明。

针对这一科学问题，中国科学院动物研究所（Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences）的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表重要成果。研究人员发现，组蛋白甲基转移酶EHMT1介导的H3K9me2重建对雌性减数分裂进程具有决定性作用。通过构建条件性基因敲除小鼠模型，结合RNA测序（RNA-seq）、CUT&Tag测序和荧光素酶报告系统等关键技术，揭示了H3K9me2通过调控转录抑制因子ST18的表达平衡，解除其对减数分裂关键基因的转录抑制，从而确保减数分裂正常进行。

主要技术方法

研究采用Tnap-Cre介导的条件性敲除小鼠模型（Ehmt1^cKO）进行表型分析；通过流式细胞术（FACS）分选Oct4-eGFP阳性生殖细胞进行转录组测序（RNA-seq）；运用CUT&Tag技术分析H3K9me2的基因组分布；采用染色体铺片技术观察减数分裂进程；通过双荧光素酶报告系统验证ST18对减数分裂基因启动子的转录抑制功能。

研究结果

H3K9me2在雌性生殖细胞中的动态重建

免疫荧光分析显示，H3K9me2在生殖细胞有丝分裂期（E11.5）含量极低，而在减数分裂启动期（E15.5）显著增加。CUT&Tag测序证实这一重建过程由EHMT1介导（图1A-B）。值得注意的是，EHMT1的表达先于H3K9me2的积累（图1C-D），提示其可能作为"表观遗传时钟"调控减数分裂时序。

EHMT1缺失导致雌性不育

条件性敲除EHMT1导致雌鼠几乎完全不育（图2F）。超排卵实验显示突变体排卵数锐减（图2G-H），组织学分析发现青春期小鼠卵巢中原始卵泡几乎完全缺失（图3C-D）。时间进程实验揭示生殖细胞凋亡始于减数分裂前期（E16.5），至出生时仅存25%（图3E-F），TUNEL染色证实凋亡主要发生在生殖细胞（图3G-H）。

减数分裂停滞在偶线期

染色体铺片分析显示，突变体生殖细胞阻滞在偶线期（zygotene），无法进入粗线期（pachytene）（图4A-B）。γH2AX标记显示DNA双链断裂（DSBs）修复缺陷（图4C-D），重组酶DMC1和RAD51的病灶形成显著减少（图4E-H），交叉重组标记MLH1也明显降低（图4I-J），表明同源重组修复过程严重受损。

转录组失衡机制解析

RNA-seq发现突变体中1751个基因下调，包括Dmc1、Spata22、Syce3等减数分裂核心基因（图5B-E）。CUT&Tag分析揭示H3K9me2缺失导致167个基因异常上调（图6D），其中包括转录抑制因子ST18、ZFP462等（图6E）。荧光素酶报告实验证实ST18可直接抑制Dmc1、Spata22等基因启动子活性（图6H），而ZFP462仅对部分基因有较弱抑制作用（补充图S6D）。

时序调控模型

研究发现有丝分裂期（E11.5）低水平的H3K9me2允许ST18高表达，从而抑制减数分裂基因转录（图7E）；减数分裂启动时，EHMT1介导的H3K9me2重建抑制ST18表达，解除其对减数分裂基因的抑制（图7F）。突变体中H3K9me2缺失导致ST18持续高表达，模拟有丝分裂期的抑制状态（图7G）。Motif分析发现减数分裂基因启动子区富含ST18结合位点"AAAGTTT"（图7B），从机制上解释了其特异性调控。

结论与意义

该研究首次阐明EHMT1-H3K9me2-ST18轴在雌性减数分裂中的核心调控作用：

1. 揭示H3K9me2重建作为"表观遗传开关"，通过抑制ST18解除其对减数分裂基因的转录抑制；

2. 发现ST18在生殖细胞有丝分裂期高表达，可能作为"减数分裂制动器"确保减数分裂适时启动；

3. 为卵巢早衰等生殖障碍疾病提供新的分子诊断标记和治疗靶点。

这项研究不仅深化了对表观遗传调控生殖细胞发育的认识，也为相关生殖疾病的机制研究和临床干预提供了重要理论依据。