SCMC調控早期胚胎發育機制的研究進展

陽仲斌，李 偉，金晨鐘，吳 娟，曾 智，王 艷，張雪嬌，胡軍和(湖南人文科技學院農業與生物技術學院，湖南婁底417000)

在卵母細胞生長發育、受精、早期胚胎發育和合子基因激活乃至胚胎植入等過程中，需要產生大量的轉錄因子和蛋白質，而這些物質主要依靠原有的貯存在卵母細胞中的卵源性物質(由母源效應基因表達產生)。已有研究表明，母源效應因子復合體(Subcortical maternal complex，SCMC)能夠調控小鼠早期胚胎發育，其缺失會導致胚胎在2細胞階段發生阻滯。進一步研究發現，該復合體主要位于胞質網格(Cytoplasmic lattices，CPLs)中，并且能夠調控其形成。筆者綜述了SCMC在早期胚胎發育中調控網絡的研究進展，以期為SCMC調控胚胎發育機制的研究提供一定的參考。

1 SCMC研究歷程

母源效應基因是指其產物雖然對卵母細胞發育、成熟以及排卵和受精的影響不大，但是對后續的胚胎基因組激活起著必不可少的作用的一類基因，缺乏該基因的表達會阻礙早期胚胎的進一步發育［1］。在胚胎基因組激活以前，卵母細胞中貯存了大量的促進早期胚胎發育過程中翻譯功能的核糖體。已有研究表明，在兩棲類和線蟲中其合子基因一般至少要在發生第12次卵裂以后才會激活(一般少于10 h)。但是，在哺乳動物中至少需要等待2～4 d合子基因才會激活，一般而言小鼠中在第1次卵裂后，在人、牛和綿羊中一般在發生2～3次卵裂后［2］。盡管對于哺乳動物卵母細胞保存大量的核糖體的機制還不是很清楚，但已有研究表明小鼠中75%～80%的核糖體在排卵時不會形成多核糖體，也不會在體外立即參與蛋白質的合成［3］。

已有研究表明，這些沒有激活的核糖體實際上在卵母細胞中參與形成胞質網格(Cytoplasmic lattices，CPLs)，形成包含有大量蛋白質和RNA纖維狀的基質。另外，已有研究發現核糖體與CPLs的形成存在聯系，核糖體數量的減少會引起CPLs數量的增加［4］。進一步研究也已證實，按照rRNA的數量推算應該有2/3的核糖體存在于卵母細胞中，但是在超微結構下卻完全沒有觀察到核糖體［5］。此后，有人觀察到CPLs纖絲中包含大量的高電子密度的核糖體大小顆粒，說明丟失的這些核糖體實際上聚集在CPLs內［4］。進一步研究發現，與體細胞中的核糖體需要至少100 000 g的離心力離心1 h以上才能分離到不同，卵母細胞中70%的核糖體僅需要9 000 g的離心力離心5 min即可分離到，由此可見卵母細胞中的核糖體以1種超大分子結構聚集在一起［6］。同時，也有研究發現這些胞質網格中也包含中間纖維如角蛋白，據此推測這些細胞骨架結構為卵母細胞形成一個特殊的細胞骨架原件提供了條件［7］。

最近研究表明在CPLs中存在母源效應因子復合體(Subcortical maternal complex，SCMC)，而且進一步研究發現主要有FLOPED(Factor located in oocytes permitting embryonic development)、MATER(Maternal antigen that embryo requires)和TLE6(Transducin－like enhancer of split 6)相互作用以及僅與MATER作用的Filia也稱之為KHDC3(KH domain containing protein 3)共同構成［8］。研究發現，盡管SCMC復合體轉錄和翻譯獲得蛋白在卵母細胞減數分裂和排卵過程中不斷降解，但是在早期胚胎發育階段仍然存在。在胚胎發育階段，SCMC處于卵裂球之間的以外的區域，到桑椹胚和囊胚階段逐漸分布在胚胎的外周。

FLOPED基因，也稱為Ooep基因，其基因的mRNAs僅在生長發育的卵母細胞中存在，但其蛋白產物在發育到囊胚的階段一直存在。該基因敲除小鼠的卵母細胞可以正常生長發育(如進行減數分裂、成熟和受精等)，但其胚胎由于沒有改變蛋白的作用會在2－細胞胚胎階段發生阻滯［8］。同樣也有研究發現在小鼠胚胎干細胞中高表達，利用打靶突變的方法研究發現Floped基因在非分化培養條件下對維持胚胎干細胞的特性不是必不可少的，但是該基因的缺失在分化培養條件下會加快胚胎干細胞分化的進程。

2 SCMC復合體的結構及功能

母源效應因子復合體(Subcortical maternal complex，SCMC)，由FLOPED、MATER和TLE6相互作用以及僅與MATER作用的Filia也稱之為KHDC3共同構成。

(1)FLOPED蛋白定位在卵巢和卵母細胞中。研究發現，小鼠Floped蛋白分子量為18 kD，含有164個氨基酸，是SCMC復合體中分子量最小的蛋白，含有1個單獨的含有70個氨基酸的KH(hnRNA K homology)區域，它的多聚體與單鏈核酸有關［9］。但是，人類的Floped蛋白含有149個氨基酸，與小鼠有39%的相同氨基酸。Flpoed蛋白是卵母細胞CPLs的主要成分。Floped缺乏會影響卵子細胞質中網架狀結構CPLs的形成［10］。敲除小鼠Floped基因后，并不會影響卵巢的發育、卵子發生、卵母細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］。進一步研究發現，雖然在卵巢和卵母細胞中檢測不到Floped蛋白以及SCMC，但可以檢測到其他成分蛋白，說明它也是維持SCMC穩定性的主要因子［8］。此外，也有研究表明這種雌鼠排出的卵子可以受精，但是第1次卵裂后胚胎發育不良并且在植入前死亡，即使讓這種雌鼠與正常的雄鼠交配，胚胎發育不良的表現也不會被改變［11］。由此可見，該基因與早期胚胎發育以及SCMC的形成緊密相關。

(2)Mater(Maternal antigen that embryo requires)基因，也名Nlrp5(Pyrin domain containing 5)基因，是第1個在小鼠中發現的母源基因，編碼125 kD的蛋白，由位于第7號染色體上單拷貝基因表達，其基因缺失會讓胚胎在2細胞發生阻滯［12］。同時，進一步研究也發現由1 111個氨基酸構成的蛋白包含1個NACHT結構域和在終端存在2個重復的Motif結構域［13］。通過研究小鼠自身免疫性卵巢功能發育障礙模型，母源效應基因首先作為1個卵母細胞抗原被確定。Mater蛋白是由在卵母細胞中發現的單拷貝基因表達的，并且持續表達到后期囊胚階段［11，14］。Mater－/－小鼠產出的幼崽性別比例大致相等，表型沒有異常。Mater－/－雄性老鼠是不育的，盡管Mater－/－雌性老鼠也可以正常進行卵泡發生、卵母細胞發育、排卵和受精［15］。此外，在早期胚胎發育階段第1次卵裂也是正常的;但是，Mater－/－母鼠是不育的，因為在胚胎發育到2細胞階段時發生阻滯;此外，排出的卵母細胞和產生的胚胎數量與正常的小鼠沒有差異［15］。這些研究結果表明Mater基因對于2細胞以上的胚胎發育是必要的。研究發現，與Mater基因結合的因子被發現，即Filia基因［16］。Filia蛋白與Mater蛋白結合在一起，共同定位于卵母細胞核早期胚胎的亞皮質區，在早期胚胎發育階段處于卵裂球聯系之處的外面，囊胚階段就處于胚胎外周－滋養層區域［16］。

(3)TLE6基因屬于Groucho/TLE轉錄共同抑制因子家族的一員，首先作為E2A肝白血病因子被發現，在小鼠胚胎和成年小鼠的組織中大量表達。在神經祖細胞中，TLE6通過與TLE1競爭性結合腦因子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達，能夠與SCMC的其余3個因子(MATER、FLOPED和FILIA)結合，形成母源效應因子復合體，調控早期胚胎的卵裂。近年來，研究發現TLE6可以通過影響小鼠卵母細胞中微絲細胞骨架的功能來調控早期胚胎的對稱性分裂［17］。

(4)Filia基因編碼1個卵源性的基本的螺旋－環－螺旋(Basic helix－loop－helix，bHLH)轉錄因子，分子量在50 kD左右，能夠與第1個被發現的母源因子Mater蛋白相互結合，在調控激活透明帶基因方面發揮著重要的作用［18］。Filia基因缺失不僅會影響透明帶基因的表達，而且會阻滯原始卵泡的發育和生長［18－19］。Filia基因只有在性成熟動物的生長的卵母細胞中表達。隨著卵母細胞減數分裂和排卵的進行，卵母細胞中貯存的轉錄因子及蛋白逐漸降解，但其表達的蛋白在胚胎早期發育階段會持續發揮作用［20］。最近研究發現，Filia基因敲除后會引起卵母細胞中因紡錘體不正常組裝導致的染色體非倍體的形成及紡錘體組裝檢查點(Spindle assembly checkpoint，SAC)失活等，其具體機制是通過RhoA信號通路影響主要的紡錘體組裝調控因子(AURKA、PLK1和γ－tubulin)的分布，從而影響到微觀組裝中心的功能［21］。

3 展望

一般而言，對于卵母細胞發生和早期胚胎發育起調控作用的分子機制在不同物種之間是比較保守的。但是，由于不同物種之間存在的特異性區別(如排卵數量和合子基因啟動處在不同胚胎階段)決定了這些母源性的效應基因以及表達還是存在較大的差異，甚至同樣的基因在不同的動物之間完全不同［22－23］。由此可見，盡管SCMC在小鼠早期胚胎發育的研究已有報道，但是在其他大的動物(如牛和豬等)中尚未見報道。研究表明，SCMC復合體對于小鼠早期胚胎超越第1次卵裂是必不可少的［1，8］。進一步研究發現，SCMC是卵母細胞胞質中肌動蛋白F－actin網絡形成中必不可少的，該纖維控制卵母細胞中紡錘體的中心位置，從而確保小鼠合子的對稱性分裂;另外，SCMC是通過Cofilin蛋白(肌動蛋白F－actin組裝的重要調控因子)來控制細胞骨架微絲的形成［17］。這些雖然在小鼠中已有較多研究，但是在其他動物早期胚胎發育的作用研究還較少。盡管有關SCMC對于早期胚胎發育調控的研究已有報道(主要限于小鼠的研究)，但是有關大動物SCMC調控早期胚胎發育的機制仍不清楚，目前還未見到國內外的相關文獻報道。

由此可見，SCMC可能是通過形成胞質中的CPLs，調節F－actin的組裝，從而調節紡錘體的形成，影響早期胚胎的發育，但其具體的調控途徑以及網絡也還不清楚，有待于進一步研究。

［1］LI L，ZHENG P，DEAN J.Maternal control of early mouse development［J］.Development，2010，137(6):859 －870.

［2］RNASCHULTZ R M.The molecular foundations of the maternal to zygotic transition in the preimplantation embryo［J］.Human Reproduction Update，2002，8(4):323 －331.

［3］RNABACHVAROVA R，DE LEON V.Polyadenylated RNA of mouse ova and loss of maternal RNA in early development［J］.Developmental Biology，1980，74(1):1 －8.

［4］RNASTERNLICHT A L，SCHULTZ R M.Biochemical studies of mammalian oogenesis:Kinetics of accumulation of total and poly(A)－containing RNA during growth of the mouse oocyte［J］.Journal of Experimental Zoology，1981，215(2):191 －200.

［5］RNAGARCIA R B，PEREYRA －ALFONSO S，SOTELO J R.Protein －synthesizing machinery in the growing oocyte of the cyclic mouse［J］.Differentiation，1979，14:101 －106.

［6］RNABACHVAROVA R，DE LEON V，SPIEGELMAN I.Mouse egg ribosomes:Evidence for storage in lattices［J］.Journal of Embryology and Experimental Morphology，1981，62(1):153 －164.

［7］RNACAPCO D G，GALLICANO G I，MCGAUGHEY R W，et al.Cytoskeletal sheets of mammalian eggs and embryos:A lattice－like network of intermediate filaments［J］.Cell Motility and the Cytoskeleton，1993，24(2):85 －99.

［8］RNALI L，BAIBAKOV B，DEAN J.A subcortical maternal complex essential for preimplantation mouse embryogenesis［J］.Developmental Cell，2008，15(3):416 －425.

［9］RNAVALVERDE R，EDWARDS L，REGAN L.Structure and function of KH domains［J］.FEBS Journal，2008，275(11):2712 －2726.

［10］RNATASHIRO F，KANAI－ AZUMA M，MIYAZAKI S，et al.Maternaleffect gene Ces5/Ooep/Moep19/Floped is essential for oocyte cytoplasmic lattice formation and embryonic development at the maternal zygotic stage transition［J］.Genes to Cells，2010，15(8):813 －828.

［11］RNATONG Z B，NELSON L M.A mouse gene encoding an oocyte antigen associated with autoimmune premature ovarian failure［J］.Endocrinology，1999，140(8):3720 －3726.

［12］RNATONG Z B，GOLD L，PFEIFER K E，et al.Mater，a maternal effect gene required for early embryonic development in mice［J］.Nature Genetics，2000，26(3):267 －268.

［13］RNAKOONIN E V，ARAVIND L.The NACHT family － a new group of predicted NTPases implicated in apoptosis and MHC transcription activation［J］.Trends in Biochemical Sciences，2000，25(5):223 －224.

［14］RNATONG Z B，NELSON L M，DEAN J.Mater encodes a maternal protein in mice with a leucine－rich repeat domain homologous to porcine ribonuclease inhibitor［J］.Mammalian Genome，2000，11(4):281 －287.

［15］RNAKIM K H，LEE K A.Maternal effect genes:Findings and effects on mouse embryo development［J］.Clinical and Experimental Reproductive Medicine，2014，41(2):47 －61.

［16］RNAOHSUGI M，ZHENG P，BAIBAKOV B，et al.Maternally derived FILIA－MATER complex localizes asymmetrically in cleavage－stage mouse embryos［J］.Development，2008，135(2):259 －269.

［17］RNAYU X J，YIZ H，GAO Z，et al.The subcortical maternal complex controls symmetric division of mouse zygotes by regulating F－actin dynamics［J］.Nature communications，2014，75:4887.

［18］RNALIANG L F，SOYAL S M，DEAN J.FIGalpha，a germ cell specific transcription factor involved in the coordinate expression of the zona pellucida genes［J］.Development，1997，124(24):4939 －4947.

［19］RNASOYAL S M，AMLEH A，DEAN J.FIGalpha，a germ cell－ specific transcription factor required for ovarian follicle formation［J］.Development，2000，127(21):4645 －4654.

［20］RNASU Y Q，SUGIURA K，WOO Y，et al.Selective degradation of transcripts during meiotic maturation of mouse oocytes［J］.Developmental Biology，2007，302(1):104 －117.

［21］RNAZHENG P，DEAN J.Role of Filia，a maternal effect gene，in maintaining euploidy during cleavage － stage mouse embryogenesis［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2009，106(18):7473 －7478.

［22］RNAHANRAHAN J P，GREGAN S M，MULSANT P.Mutations in the genes for oocyte－derived growth factors GDF9 and BMP15 are associated with both increased ovulation rate and sterility in Cambridge and Belclare sheep(Ovis aries)［J］.Biology of Reproduction，2004，70(4):900 －909.

［23］RNABETTEGOWDA A，YAO J B，SEN O，et al.JY －1，an oocyte － specific gene，regulates granulosa cell function and early embryonic development in cattle［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2007，104(45):17602－17607.