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清华大学孟安明团队最新Cell

iNature 2022-12-11


iNature

核孔复合物(Nuclear pore complexes, NPCs)是蛋白质和RNA在细胞核浆内转运的通道。然而,NPCs的组成、结构和渗透性是否在脊椎动物胚胎卵裂期动态变化并影响胚胎发育尚不清楚。

2022年12月8日,清华大学孟安明课题组在Cell 杂志在线发表题为“Comprehensive maturity of nuclear pore complexes regulates zygotic genome activation”的研究论文,该研究利用斑马鱼模型,研究了NPCs的组成、结构和功能的动态变化,母体TFs的核转运及其与早期胚胎发生ZGA的相关性。研究发现,核孔复合体综合成熟度(comprehensive NPC maturity,CNM)主要与NPCs平均大小、NPCs组成和NPCs渗透性有关,它控制着母体TF的核转运和ZGA分子时钟。

核孔复合物(Nuclear pore complexes, NPCs)嵌于核膜(Nuclear envelope, NE)中,是蛋白质和RNA的核质转运通道。每个NPCs由大约30种不同的核oporin (nucleoporin,Nup)蛋白的多个副本组成NPCs的形成主要有两种方式:有丝分裂结束时几分钟内完成的有丝分裂后组装和可能需要1小时的间期组装,这两种组装都涉及到Nup的连续募集。
在斑马鱼中,早期胚胎每个细胞周期经历约15分钟的快速分裂,因此最有可能通过有丝分裂后组装方式形成NPCs。研究表明,在不同的细胞类型和不同的有丝分裂阶段,NPCs的组成、结构和货物选择性/渗透性动态变化。单个核中的NPCs也表现出成分和构象的异质性。然而,关于在脊椎动物早期胚胎发生过程中,NPC的结构和选择性如何动态变化,以及NPC的通透性如何调节母源转录因子(transcription factors, TFs)的核转运,从而启动合子基因组激活(zygotic genome activation, ZGA),目前尚不清楚。
胚胎发育的第一阶段完全依赖于母体提供的物质,包括蛋白质和信使RNA,其次是发育的第二阶段,需要合子基因产物在非哺乳动物中,合子基因转录主要发生在囊胚中期转化(midblastula transition, MBT)之后,MBT的特征是细胞周期延长、细胞分裂的不同步性增加和细胞运动性增加。目前,ZGA时间控制主要有两种模式:核浆比(或N/C比)和母体时钟模型,分别通过稀释转录抑制因子或积累激活/去抑制因子起作用。到目前为止,只有少数一般的母体转录抑制因子或激活因子可能起分子计时器的作用。
一般来说,负责ZGA的TF是母体提供的,以蛋白质或mRNA的形式。在斑马鱼胚胎中,母源的Nanog、Pou5f3和SoxB1被认为是先驱转录因子,它们在64c期(2 hpf)激活miR-430的表达,以降解母源的mRNA,从128c (2.25 hpf)到512c期的少量蛋白质编码基因,然后在MBT后降解大量合子基因。一些母源转录因子,如Eomesodermin a (Eomesa)和Smad1/5/9,即使在MBT之前就以蛋白质形式存在,这一时滞可能是由MBT前不适当的染色质结构、不适当的蛋白质修饰和缺乏辅激活剂引起的。然而,通过许多独特的机制,授权大量母性TF同时激活MBT周围的靶基因是极其困难的。鉴于NPCs为TF核转运提供了一般通道,NPCs可能是一种潜在的控制母体TF核转运和胚胎发育过程中ZGA发生的一般分子时钟。
该研究报道了核孔复合体综合成熟度(comprehensive NPC maturity,CNM)控制着斑马鱼早期胚胎发生过程中合子基因组激活(ZGA)的开始。研究人员发现随着发育,越来越多的核孔蛋白被招募到NPCs中并组装成NPCs,导致NPCs的大小和复杂性逐步增加。
随着CNM的增加,母体转录因子(TFs)更有效地转运到细胞核。Nup133或AhcTF1/Elys的缺失或功能障碍会损害NPCs组装、母体TF核运输和ZGA的发生,而Nup133过表达促进了这些过程。因此,CNM可以作为ZGA的分子时钟,通过控制在给定时间内达到核浓度阈值的母体TF的核转运来启动ZGA。
基于这些数据,研究人员提出了一个由cnm介导的母核TF阈值调控的ZGA时钟模型:在前5个细胞周期中,CNM非常低,因此只有少量的母体TF可以进入并积聚在细胞核中,不能激活基因转录。在此之后,CNM增加到第一个阈值,可能在128c左右阶段,允许细胞核内的TF达到浓度阈值,诱导轻微的ZGA。然后,CNM在1kc左右增加到第二个阈值,使细胞核内的TF达到另一个阈值,从而启动大ZGA。值得一提的是,CNM和核TF的最高水平可能在1kc级之后。CNM-nuclear TF浓度-ZGA调控路径可能有助于解释ZGA发生的时间。
核孔复合体综合成熟度调控合子基因组激活模式图(图源自Cell 
综上所述,这项研究结果表明可以将CNM作为核输运和TF子集的积累以及ZGA开始的一般时钟。

原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.011

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