SCMC在早期胚胎发育中调控网络的研究进展

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摘要

  在卵母细胞生长发育、受精、早期胚胎发育和合子基因激活乃至胚胎植入等过程中,需要产生大量的转录因子和蛋白质,而这些物质主要依靠原有的贮存在卵母细胞中的卵源性物质(由母源效应基因表达产生) .已有研究表明,母源效应因子复合体(Subcortical maternal complex ,SCMC) 能够调控小鼠早期胚胎发育,其缺失会导致胚胎在 2 细胞阶段发生阻滞。进一步研究发现,该复合体主要位于胞质网格(Cyto-plasmic lattices,CPLs) 中,并且能够调控其形成。笔者综述了 SCMC 在早期胚胎发育中调控网络的研究进展,以期为SCMC 调控胚胎发育机制的研究提供一定的参考。

  1 SCMC 研究历程

  母源效应基因是指其产物虽然对卵母细胞发育、成熟以及排卵和受精的影响不大,但是对后续的胚胎基因组激活起着必不可少的作用的一类基因,缺乏该基因的表达会阻碍早期胚胎的进一步发育[1].在胚胎基因组激活以前,卵母细胞中贮存了大量的促进早期胚胎发育过程中翻译功能的核糖体。已有研究表明,在两栖类和线虫中其合子基因一般至少要在发生第 12 次卵裂以后才会激活(一般少于 10 h) .但是,在哺乳动物中至少需要等待 2 ~4 d 合子基因才会激活,一般而言小鼠中在第 1 次卵裂后,在人、牛和绵羊中一般在发生2 ~3 次卵裂后[2].尽管对于哺乳动物卵母细胞保存大量的核糖体的机制还不是很清楚,但已有研究表明小鼠中75% ~ 80% 的核糖体在排卵时不会形成多核糖体,也不会在体外立即参与蛋白质的合成[3].

  已有研究表明,这些没有激活的核糖体实际上在卵母细胞中参与形成胞质网格(Cytoplasmic lattices,CPLs) ,形成包含有大量蛋白质和 RNA 纤维状的基质。另外,已有研究发现核糖体与 CPLs 的形成存在联系,核糖体数量的减少会引起 CPLs 数量的增加[4].进一步研究也已证实,按照 rRNA的数量推算应该有2/3 的核糖体存在于卵母细胞中,但是在超微结构下却完全没有观察到核糖体[5].此后,有人观察到CPLs 纤丝中包含大量的高电子密度的核糖体大小颗粒,说明丢失的这些核糖体实际上聚集在 CPLs 内[4].进一步研究发现,与体细胞中的核糖体需要至少 100 000 g 的离心力离心 1 h 以上才能分离到不同,卵母细胞中 70%的核糖体仅需要9 000 g 的离心力离心5 min 即可分离到,由此可见卵母细胞中的核糖体以1 种超大分子结构聚集在一起[6].同时,也有研究发现这些胞质网格中也包含中间纤维如角蛋白,据此推测这些细胞骨架结构为卵母细胞形成一个特殊的细胞骨架原件提供了条件[7].

  最近研究表明在 CPLs 中存在母源效应因子复合体(Subcortical maternal complex,SCMC) ,而且进一步研究发现主要有 FLOPED(Factor located in oocytes permitting embryonicdevelopment) 、MATER(Maternal antigen that embryo requires)和 TLE6(Transducin - like enhancer of split 6) 相互作用以及仅与 MATER 作用的 Filia 也称之为 KHDC3(KH domain con-taining protein 3) 共同构成[8].研究发现,尽管 SCMC 复合体转录和翻译获得蛋白在卵母细胞减数分裂和排卵过程中不断降解,但是在早期胚胎发育阶段仍然存在。在胚胎发育阶段,SCMC 处于卵裂球之间的以外的区域,到桑椹胚和囊胚阶段逐渐分布在胚胎的外周。

  FLOPED 基因,也称为 Ooep 基因,其基因的 mRNAs 仅在生长发育的卵母细胞中存在,但其蛋白产物在发育到囊胚的阶段一直存在。该基因敲除小鼠的卵母细胞可以正常生长发育(如进行减数分裂、成熟和受精等) ,但其胚胎由于没有改变蛋白的作用会在2 -细胞胚胎阶段发生阻滞[8].同样也有研究发现在小鼠胚胎干细胞中高表达,利用打靶突变的方法研究发现 Floped 基因在非分化培养条件下对维持胚胎干细胞的特性不是必不可少的,但是该基因的缺失在分化培养条件下会加快胚胎干细胞分化的进程。

  2 SCMC 复合体的结构及功能
  
  母源效应因子复合体(Subcortical maternal complex,SC-MC) ,由 FLOPED、MATER 和 TLE6 相互作用以及仅与 MA-TER 作用的 Filia 也称之为 KHDC3 共同构成。

  (1) FLOPED 蛋白定位在卵巢和卵母细胞中。研究发现,小鼠 Floped 蛋白分子量为 18 kD,含有 164 个氨基酸,是SCMC 复合体中分子量最小的蛋白,含有 1 个单独的含有 70个氨基酸的 KH(hnRNA K homology) 区域,它的多聚体与单链核酸有关[9].但是,人类的 Floped 蛋白含有 149 个氨基酸,与小鼠有 39% 的相同氨基酸。Flpoed 蛋白是卵母细胞CPLs 的主要成分。Floped 缺乏会影响卵子细胞质中网架状结构 CPLs 的形成[10].敲除小鼠 Floped 基因后,并不会影响卵巢的发育、卵子发生、卵母细胞成熟及排卵和交配后的受精; 缺乏 Floped 基因的成年雌性和雄性小鼠外表是正常的[8].进一步研究发现,虽然在卵巢和卵母细胞中检测不到Floped 蛋白以及 SCMC,但可以检测到其他成分蛋白,说明它也是维持 SCMC 稳定性的主要因子[8].此外,也有研究表明这种雌鼠排出的卵子可以受精,但是第 1 次卵裂后胚胎发育不良并且在植入前死亡,即使让这种雌鼠与正常的雄鼠交配,胚胎发育不良的表现也不会被改变[11].由此可见,该基因与早期胚胎发育以及 SCMC 的形成紧密相关。

  (2) Mater(Maternal antigen that embryo requires) 基因,也名 Nlrp5(Pyrin domain containing 5) 基因,是第 1 个在小鼠中发现的母源基因,编码 125 kD 的蛋白,由位于第 7 号染色体上单拷贝基因表达,其基因缺失会让胚胎在 2 细胞发生阻滞[12].同时,进一步研究也发现由1 111 个氨基酸构成的蛋白包含 1 个 NACHT 结构域和在终端存在 2 个重复的 Motif结构域[13].通过研究小鼠自身免疫性卵巢功能发育障碍模型,母源效应基因首先作为1 个卵母细胞抗原被确定。Mater蛋白是由在卵母细胞中发现的单拷贝基因表达的,并且持续表达到后期囊胚阶段[11,14].Mater- / -小鼠产出的幼崽性别比例大致相等,表型没有异常。Mater- / -雄性老鼠是不育的,尽管 Mater- / -雌性老鼠也可以正常进行卵泡发生、卵母细胞发育、排卵和受精[15].此外,在早期胚胎发育阶段第 1 次卵裂也是正常的; 但是,Mater- / -母鼠是不育的,因为在胚胎发育到 2 细胞阶段时发生阻滞; 此外,排出的卵母细胞和产生的胚胎数量与正常的小鼠没有差异[15].这些研究结果表明Mater 基因对于 2 细胞以上的胚胎发育是必要的。研究发现,与 Mater 基因结合的因子被发现,即 Filia 基因[16].Filia蛋白与 Mater 蛋白结合在一起,共同定位于卵母细胞核早期胚胎的亚皮质区,在早期胚胎发育阶段处于卵裂球联系之处的外面,囊胚阶段就处于胚胎外周 -滋养层区域[16].

  (3) TLE6 基因属于 Groucho/TLE 转录共同抑制因子家族的一员,首先作为 E2A 肝白血病因子被发现,在小鼠胚胎和成年小鼠的组织中大量表达。在神经祖细胞中,TLE6 通过与 TLE1 竞争性结合脑因子1(Brain factor 1,BF -1) 抑制TLE1 的功能,并且 TLE6 在新出生的小鼠卵巢中高度表达,能够与 SCMC 的其余 3 个因子(MATER、FLOPED 和 FILIA)结合,形成母源效应因子复合体,调控早期胚胎的卵裂。近年来,研究发现 TLE6 可以通过影响小鼠卵母细胞中微丝细胞骨架的功能来调控早期胚胎的对称性分裂[17].

  (4) Filia 基因编码 1 个卵源性的基本的螺旋 -环 -螺旋(Basic helix -loop -helix,bHLH) 转录因子,分子量在 50 kD左右,能够与第1 个被发现的母源因子 Mater 蛋白相互结合,在调控激活透明带基因方面发挥着重要的作用[18].Filia 基因缺失不仅会影响透明带基因的表达,而且会阻滞原始卵泡的发育和生长[18 -19].Filia 基因只有在性成熟动物的生长的卵母细胞中表达。随着卵母细胞减数分裂和排卵的进行,卵母细胞中贮存的转录因子及蛋白逐渐降解,但其表达的蛋白在胚胎早期发育阶段会持续发挥作用[20].最近研究发现,Filia 基因敲除后会引起卵母细胞中因纺锤体不正常组装导致的染色体非倍体的形成及纺锤体组装检查点(Spindle as-sembly checkpoint,SAC) 失活等,其具体机制是通过 RhoA 信号通路影响主要的纺锤体组装调控因子(AURKA、PLK1 和 γ- tubulin) 的分布,从而影响到微观组装中心的功能[21].

  3 展望

  一般而言,对于卵母细胞发生和早期胚胎发育起调控作用的分子机制在不同物种之间是比较保守的。但是,由于不同物种之间存在的特异性区别(如排卵数量和合子基因启动处在不同胚胎阶段) 决定了这些母源性的效应基因以及表达还是存在较大的差异,甚至同样的基因在不同的动物之间完全不同[22 -23].由此可见,尽管 SCMC 在小鼠早期胚胎发育的研究已有报道,但是在其他大的动物(如牛和猪等) 中尚未见报道。研究表明,SCMC 复合体对于小鼠早期胚胎超越第1 次卵裂是必不可少的[1,8].进一步研究发现,SCMC 是卵母细胞胞质中肌动蛋白 F -actin 网络形成中必不可少的,该纤维控制卵母细胞中纺锤体的中心位置,从而确保小鼠合子的对称性分裂; 另外,SCMC 是通过 Cofilin 蛋白(肌动蛋白 F -actin 组装的重要调控因子) 来控制细胞骨架微丝的形成[17].

  这些虽然在小鼠中已有较多研究,但是在其他动物早期胚胎发育的作用研究还较少。尽管有关 SCMC 对于早期胚胎发育调控的研究已有报道(主要限于小鼠的研究) ,但是有关大动物 SCMC 调控早期胚胎发育的机制仍不清楚,目前还未见到国内外的相关文献报道。

  由此可见,SCMC 可能是通过形成胞质中的 CPLs,调节F - actin 的组装,从而调节纺锤体的形成,影响早期胚胎的发育,但其具体的调控途径以及网络也还不清楚,有待于进一步研究。

  参考文献:
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