康俊炎，溫澤，潘舵，劉默芳

FXR1通過(guò)相分離激活后期精子細(xì)胞中mRNA的翻譯

康俊炎，溫澤，潘舵，劉默芳

中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，上海 200031

減數(shù)分裂后的單倍體精子細(xì)胞經(jīng)過(guò)一系列劇烈形態(tài)及結(jié)構(gòu)變化，包括細(xì)胞質(zhì)丟棄、細(xì)胞核壓縮、頂體和鞭毛形成等，最終發(fā)育為高度特化的精細(xì)胞或精子，此過(guò)程被稱為精子形成(spermiogenesis)[1～3]。基于精子細(xì)胞的形態(tài)變化，研究人員將小鼠的精子形成過(guò)程劃分為16個(gè)步驟：第1～8步球形精子細(xì)胞期，第9～11步延長(zhǎng)形精子細(xì)胞期，第12～14步長(zhǎng)形精子細(xì)胞期，第15～16步精子細(xì)胞則基本發(fā)育完成，呈現(xiàn)典型的彎鉤狀[4]。如此復(fù)雜的精子細(xì)胞發(fā)育過(guò)程得以有序進(jìn)行，是因?yàn)槭艿揭唤M時(shí)空特異性表達(dá)基因的精細(xì)調(diào)控，這組基因被統(tǒng)稱為精子形成基因(spermiogenic gene)。伴隨著精子形成過(guò)程中細(xì)胞核的壓縮，精子細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄活性將逐步降低直至完全停止[5]。因此，精子形成基因需提前在精母細(xì)胞或早期球形精子細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄為信使核糖核酸(mRNA)，然后以翻譯抑制狀態(tài)儲(chǔ)存于信使核糖核蛋白(mRNPs)中，至特定發(fā)育階段再被激活翻譯，合成蛋白質(zhì)發(fā)揮功能。這個(gè)現(xiàn)象被稱為“轉(zhuǎn)錄–翻譯解偶聯(lián)”，是精子細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的典型特征[6]。雖然“轉(zhuǎn)錄–翻譯解偶聯(lián)”過(guò)程為精子形成提供了一個(gè)基因表達(dá)時(shí)空性調(diào)控的精巧機(jī)制，但長(zhǎng)期以來(lái)并不清楚儲(chǔ)存于精子細(xì)胞中的mRNA是如何被有序激活翻譯的？這也是生殖生物學(xué)中的一個(gè)未解之謎。

2022年8月12日，在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越中心劉默芳研究組和上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院黃旲研究組的聯(lián)合攻關(guān)成果，報(bào)道了她們?cè)谛∈蠛笃诰蛹?xì)胞中發(fā)現(xiàn)FXR1通過(guò)相分離介導(dǎo)mRNA翻譯激活的最新研究。在這項(xiàng)工作中，研究人員聯(lián)合蛋白組學(xué)篩選，RNA多種組學(xué)分析，體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及多個(gè)突變小鼠模型，確認(rèn)RNA結(jié)合蛋白FXR1通過(guò)相分離介導(dǎo)小鼠后期精子細(xì)胞中mRNA的翻譯激活，從而保障小鼠精子形成過(guò)程正常進(jìn)行[7]。這項(xiàng)工作不但揭示了后期精子細(xì)胞中FXR1介導(dǎo)mRNA翻譯激活的新機(jī)制，而且證明了液液相分離(liquid-liquid phase separation, LLPS)為FXR1激活翻譯及保障精子形成和雄性生育必需。

劉默芳研究組長(zhǎng)期致力于精子細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄后基因表達(dá)調(diào)控研究，在近期的一項(xiàng)研究中，她們發(fā)現(xiàn)在球形精子細(xì)胞中，小鼠PIWI (MIWI)蛋白與其相互作用小分子非編碼RNA—piRNA形成的MIWI/ piRNA復(fù)合物，通過(guò)招募翻譯起始因子EIF3F和RNA結(jié)合蛋白HuR，激活了一組精子形成相關(guān)mRNA的翻譯[8]。然而，她們的早期研究發(fā)現(xiàn)，在延長(zhǎng)形精子細(xì)胞中，MIWI/piRNA通過(guò)與脫腺苷酶CAF1相互作用誘導(dǎo)了后期精子細(xì)胞中的mRNA降解和清除[9]，表明MIWI/piRNA在進(jìn)入延長(zhǎng)形精子細(xì)胞期后就不再發(fā)揮翻譯激活功能。因此，后期精子細(xì)胞中儲(chǔ)存mRNA的翻譯激活機(jī)制仍不清楚。

為了挖掘后期精子細(xì)胞中潛在的翻譯調(diào)控因子，研究人員首先比較了不同發(fā)育階段小鼠的睪丸活躍翻譯蛋白組分。結(jié)果顯示，脆性X綜合征相關(guān)蛋白(Fragile X related protein, FXR)家族成員FXR1大量存在于包含后期精子細(xì)胞的成年小鼠睪丸多聚核糖體翻譯組分中。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR1結(jié)合一大群特異性在后期精子細(xì)胞中翻譯的mRNA，且與EIF4G3等多個(gè)翻譯相關(guān)因子存在相互作用。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示FXR1可能參與了后期精子細(xì)胞中的mRNA翻譯調(diào)控。此前有研究發(fā)現(xiàn)，全身敲除引起小鼠在胚胎期心肌、骨骼肌等發(fā)育不良，最終導(dǎo)致其在圍產(chǎn)期死亡[10]。因此，為探究精子細(xì)胞中FXR1對(duì)于其結(jié)合mRNA的調(diào)控作用，研究人員構(gòu)建了在生殖細(xì)胞中特異性敲除的突變小鼠。結(jié)果顯示，F(xiàn)XR1所結(jié)合mRNA在精子細(xì)胞中的表達(dá)水平?jīng)]有明顯變化，但翻譯活性明顯下降；敲除小鼠精子形成受阻、雄性不育。這些發(fā)現(xiàn)表明FXR1對(duì)后期精子細(xì)胞中mRNA的翻譯激活和精子細(xì)胞發(fā)育至關(guān)重要。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，成年小鼠中FXR1特異性地在睪丸組織高表達(dá)，且在后期精子細(xì)胞中的表達(dá)水平劇烈增加。更有意思的是，F(xiàn)XR1在后期精子細(xì)胞的胞質(zhì)中呈現(xiàn)明顯顆粒狀分布。近年來(lái)陸續(xù)有研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)與核酸可通過(guò)多價(jià)相互作用介導(dǎo)的液–液相分離在細(xì)胞內(nèi)形成無(wú)膜包被的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定細(xì)胞過(guò)程的精確時(shí)空控制[11,12]，其中最典型的例子就是由RNA結(jié)合蛋白與RNA組成的核糖核蛋白顆粒(mRNP granules)[13]。FXR1同源蛋白FMR1曾被報(bào)道具有相分離能力，并與FMR1的翻譯抑制功能相關(guān)[14]。研究人員進(jìn)而發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR1蛋白可在體外和體內(nèi)自發(fā)聚集形成高度動(dòng)態(tài)的液滴或顆粒結(jié)構(gòu)，且高效富集mRNA于這些結(jié)構(gòu)之中。有趣的是，后期精子細(xì)胞中的FXR1顆粒同時(shí)富集EIF4G3等翻譯相關(guān)因子及FXR1靶mRNA。因此，研究人員推測(cè)FXR1可能通過(guò)相分離形成FXR1顆粒，進(jìn)而參與了mRNA的翻譯調(diào)控。為了驗(yàn)證這一猜想，研究人員通過(guò)可表征RNA翻譯狀態(tài)的TRICK報(bào)告系統(tǒng)[15]與慢病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，分別在體外培養(yǎng)細(xì)胞和體內(nèi)后期精子細(xì)胞中探究了FXR1顆粒形成與否和mRNA翻譯激活的相關(guān)性。結(jié)果顯示，野生型FXR1蛋白可以在細(xì)胞內(nèi)形成顆粒，并激活靶mRNA的翻譯；相分離能力缺失的FXR1突變體(FXR1L351P)不能形成顆粒，雖然可以結(jié)合靶mRNA，但不能激活其翻譯；在FXR1L351P末端融合FUS蛋白IDR區(qū)段重建相分離能力的融合蛋白(FXR1L351P-IDRFUS)恢復(fù)了胞內(nèi)顆粒形成能力及激活靶mRNA翻譯的活性。最后，為了明確FXR1相分離對(duì)于小鼠精子形成及可育性的重要性，研究人員進(jìn)一步構(gòu)建了生殖細(xì)胞中特異性敲入FXR1L351P小鼠模型(Fxr1)。結(jié)果顯示，在Fxr1后期精子細(xì)胞中，F(xiàn)XR1靶mRNA的翻譯活性明顯降低，Fxr1小鼠精子形成受阻、雄性不育。上述結(jié)果共同表明，F(xiàn)XR1相分離介導(dǎo)的mRNA翻譯激活為小鼠精子形成及雄性生育必需。

綜上所述，在后期精子細(xì)胞中特異性高表達(dá)的RNA結(jié)合蛋白FXR1通過(guò)相分離形成FXR1顆粒，同時(shí)招募EIF4G3等翻譯相關(guān)因子，介導(dǎo)了一群后期精子細(xì)胞發(fā)育必需基因的翻譯激活，從而保障了精子細(xì)胞發(fā)育的正常進(jìn)行(圖1)。這項(xiàng)研究工作發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)XR1在后期精子細(xì)胞mRNA翻譯激活中扮演了重要角色，揭示了精子細(xì)胞翻譯調(diào)控的新機(jī)制。同時(shí)，不同于以前“mRNP 顆粒是用于儲(chǔ)存翻譯抑制狀態(tài)mRNA”的認(rèn)識(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)FXR1相分離為其翻譯激活作用必需，提示mRNP 顆粒也參與翻譯激活過(guò)程。此外，該研究發(fā)現(xiàn)相分離缺陷Fxr1敲入小鼠精子形成受阻且雄性不育，重現(xiàn)了敲除小鼠表型，證明了相分離具有重要的生理意義。

圖1 FXR1相分離介導(dǎo)后期精子細(xì)胞mRNA翻譯激活并驅(qū)動(dòng)精子形成

在小鼠精子細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程中，F(xiàn)XR1蛋白水平逐漸升高并通過(guò)液液相分離在后期精子細(xì)胞中形成顆粒，富集mRNA、招募翻譯機(jī)器，促進(jìn)翻譯、保障精子細(xì)胞發(fā)育和精子形成。根據(jù)文獻(xiàn)[7]修改繪制。

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2022-08-02;

2022-08-12

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康俊炎，博士，研究方向：非編碼RNA在精子發(fā)生中的功能機(jī)制。E-mail: kangjunyan@sibcb.ac.cn

劉默芳，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：非編碼RNA在癌癥發(fā)生和精子發(fā)生中的功能機(jī)制。E-mail: mfliu@sibcb.ac.cn

10.16288/j.yczz.22-254