科学家揭示早期胚胎发育中RNA解旋酶Ddx3xb相分离调控母源mRNA翻译机制

科技工作者之家 08月05日

  动物早期胚胎发育由存储在卵子中的母源因子(母源mRNA和蛋白)进行调控,逐步完成从母源因子主导到合子基因主导的过渡(母源-合子转换,maternal-to-zygotic transition,MZT),在此过程中,母源mRNA稳定性及翻译的调控对母源-合子转换及胚胎发育的有序进行发挥着重要作用。此前,中国科学院北京基因组研究所杨运桂研究组和动物研究所刘峰研究组合作,揭示了RNA m5C修饰及RNA结构变化调控母源mRNA稳定性,从而促进母源-合子转换正常进行。然而,这一生物学过程的调控机制依然存在未知。

  近日,杨运桂研究组和刘峰研究组合作,在Cell Research上发表了题为Phase separation of Ddx3xb helicase regulates maternal-to-zygotic transition in zebrafish的研究论文,揭示了早期胚胎发育过程中RNA解旋酶Ddx3xb通过相分离调控母源mRNA翻译的新机制。该论文被选为Cell Research封面论文(图2)。瑞士洛桑大学教授Nadine L. Vastenhouw等在同期Cell Research上对该成果做了亮点评述(Maternally loaded RNAs: no time to die)。

  科研团队发现Ddx3xb在斑马鱼胚胎早期发育过程中高表达,随后一系列相分离分析实验发现其蛋白可在体外/体内发生相分离,且其相分离活性主要依赖其N端的内在无序区域(intrinsically disordered region,IDR)。同时,研究表明,在正常发育过程中,内源Ddx3xb蛋白相分离在受精后4小时发生,而不在更早时期(如受精后2小时)。由于受精后4小时时期是母源-合子转换的关键时间点,暗示Ddx3xb相分离可能对母源-合子转换具有调控作用。研究组运用CRISPR/Cas9技术构建了Ddx3xb敲除的斑马鱼品系,并发现Ddx3xb敲除的斑马鱼胚胎发生了早期发育延迟现象。该延迟表型能被全长型的Ddx3xb回补,但不能被无法发生相分离的N端内在无序区域缺失型Ddx3xb回补。

  该团队进一步通过组学及生化实验研究分子机制。RNA-seq数据表明,Ddx3xb相分离可以调控母源mRNA的降解与合子基因的激活,Ddx3xb相分离在母源-合子转换过程中发挥了重要的分子调控作用。结合之前发表的斑马鱼早期发育RNA结构数据,研究发现与Ddx3xb结合的母源mRNA 5’UTR区域的结构在受精后4小时时期发生了显著性的开放,RNA解旋实验则表明Ddx3xb相分离可以促进其RNA解旋活性,而mRNA 5’UTR 的结构又可能对其翻译效率具有重要的调控作用。研究进一步通过Ribosome profiling实验证明了Ddx3xb相分离可以提高与其结合的母源mRNA的翻译效率。

  该研究发现在斑马鱼早期胚胎发育过程中Ddx3xb可以在正常的生理条件下发生相分离,Ddx3xb相分离促进了与其结合的母源mRNA 5’UTR区域结构的开放,进而调控这些种类母源mRNA翻译的进行,最终影响母源-合子转换及早期胚胎发育(图1)。该成果拓展了相分离在生物学过程中的作用,有助于剖析母源-合子转换过程中基因表达动态调控规律。

  研究工作得到清华大学研究员李丕龙、北京基因组所研究员赵永良、北京脑科学与类脑研究中心研究员Magdalena J Koziol的帮助。

图1.Ddx3xb相分离调控母源mRNA结构及翻译示意图

  图2.杂志封面故事:该幅画描述了中国古代传说故事鹊桥相会。七夕之夜,喜鹊聚集成的鹊桥跨越天河,帮助牛郎织女相遇。Ddx3xb相分离(形成鹊桥)促进母源RNA降解(克服天河的阻碍),进而帮助合子基因的激活(牛郎织女相见,纺织出的丝线象征着合子基因的转录)。


内容来源:中国科学院

来源:中国科学院

原文链接:http://www.cas.cn/syky/202208/t20220803_4843837.shtml

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