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项目文章|H3K4甲基化促进线粒体动力学调节因子的表达以确保小鼠卵母细胞质量
2023-03-15 15:10

2023年2月华中科技大学周立全、武汉大学尹太郎及杨菁共同通讯(梅宁华、郭诗萌及周琪为论文第一作者)在Advanced Science(IF=17.521)发表了题为“H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice”的研究成果。该研究通过构建H3.3-K4M转基因小鼠,表明H3K4甲基化缺陷对卵母细胞和早期胚胎发育具有细胞毒性作用。H3K4甲基化降低可诱导小鼠卵母细胞中全局DNA甲基化的增强,从而影响线粒体动力学调节因子的表达而导致线粒体功能障碍,破坏卵母细胞发育潜能,导致雌性不育。


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文章题目


H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice


发表期刊


Advanced Science


影响因子


17.521


研究背景


随着年龄的增加,小鼠卵母细胞发育潜能逐渐降低,据相关报道,此现象与卵母细胞中H3K4甲基化水平的降低密切相关,H3K4甲基化对卵母细胞发育潜能起到重要的调控作用。然而,H3K4甲基化如何调节卵母细胞发育仍在很大程度上未被探索。以往研究,多通过构建基因敲除小鼠模型来探索H3K4甲基化的功能,但由于H3K4甲基化转移酶具有冗余性和非组蛋白的催化底物,使得这种组蛋白修饰的功能研究具有一定的局限性。组蛋白H3.3 K-to-M(赖氨酸到蛋氨酸)突变能够抑制相应位点的甲基化修饰,可干扰组蛋白甲基化转移酶中SET活性结构与组蛋白对应位点的识别,使得相关修饰水平显著下调。


材料选择


H3.3-WT和H3.3-K4M转基因小鼠模型研究结果


作者通过构建H3.3-K4M和H3.3-WT转基因小鼠模型,以研究H3K4甲基化对小鼠卵母细胞发育潜力的影响及其相关机制。研究发现H3.3-K4M突变体的卵细胞特异性表达可导致小鼠卵母细胞中H3K4甲基化水平降低,从而造成卵母细胞发育受到干扰,卵泡总数减少卵巢变小,出现雌性小鼠不孕现象。


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图1 H3.3-K4M雌性小鼠不孕,卵母细胞发育不成熟


通过转录组分析发现,H3.3-WT卵母细胞和H3.3-K4M卵母细胞之间存在显著的转录组差异,H3.3-K4M卵母细胞中线粒体和其他细胞器的活性受到RNA水平的影响。通过免疫荧光和EU染色及比较RNA聚合酶II(RNA Polymerase II, Pol II)在生长期卵母细胞中的全基因组分布等方法,发现H3.3-K4M转基因小鼠生长期卵母细胞中,Pol II在转录起始位点(TSS)和远端区域富集显著低于H3.3-WT转基因小鼠,表明卵母细胞总体转录活性降低。


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图2 H3.3-WT/K4M卵母细胞的转录组分析


通过WGBS实验,RNA-seq结合qRT-PCR验证,发现H3K4甲基化缺失会诱导H3.3-K4M卵母细胞中全基因组DNA甲基化增强,导致H3.3-K4M卵母细胞中的异常基因表达,线粒体动力学调节因子Drp1和Opa1表达下调,线粒体功能受损,氧化应激水平升高,卵母细胞和颗粒细胞出现凋亡现象。


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图3 H3.3-K4M卵母细胞中Drp1表达下调


总结


该研究揭示H3.3-K4M的卵细胞特异性表达可导致小鼠卵母细胞中H3K4甲基化水平降低,致使卵母细胞转录活性降低,全局DNA甲基化增加,并引起卵母细胞中线粒体功能障碍,导致氧化应激水平升高,诱导卵母细胞和颗粒细胞凋亡,引起卵泡在早期发育阶段耗竭,最终导致卵母细胞发育停滞,卵巢大小减小,雌性小鼠不孕。