SCMC調(diào)控早期胚胎發(fā)育機(jī)制的研究進(jìn)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(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，湖南婁底417000)

在卵母細(xì)胞生長發(fā)育、受精、早期胚胎發(fā)育和合子基因激活乃至胚胎植入等過程中，需要產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)錄因子和蛋白質(zhì)，而這些物質(zhì)主要依靠原有的貯存在卵母細(xì)胞中的卵源性物質(zhì)(由母源效應(yīng)基因表達(dá)產(chǎn)生)。已有研究表明，母源效應(yīng)因子復(fù)合體(Subcortical maternal complex，SCMC)能夠調(diào)控小鼠早期胚胎發(fā)育，其缺失會(huì)導(dǎo)致胚胎在2細(xì)胞階段發(fā)生阻滯。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合體主要位于胞質(zhì)網(wǎng)格(Cytoplasmic lattices，CPLs)中，并且能夠調(diào)控其形成。筆者綜述了SCMC在早期胚胎發(fā)育中調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展，以期為SCMC調(diào)控胚胎發(fā)育機(jī)制的研究提供一定的參考。

1 SCMC研究歷程

母源效應(yīng)基因是指其產(chǎn)物雖然對(duì)卵母細(xì)胞發(fā)育、成熟以及排卵和受精的影響不大，但是對(duì)后續(xù)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(dá)會(huì)阻礙早期胚胎的進(jìn)一步發(fā)育［1］。在胚胎基因組激活以前，卵母細(xì)胞中貯存了大量的促進(jìn)早期胚胎發(fā)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(fā)生第12次卵裂以后才會(huì)激活(一般少于10 h)。但是，在哺乳動(dòng)物中至少需要等待2～4 d合子基因才會(huì)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(fā)生2～3次卵裂后［2］。盡管對(duì)于哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞保存大量的核糖體的機(jī)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(shí)不會(huì)形成多核糖體，也不會(huì)在體外立即參與蛋白質(zhì)的合成［3］。

已有研究表明，這些沒有激活的核糖體實(shí)際上在卵母細(xì)胞中參與形成胞質(zhì)網(wǎng)格(Cytoplasmic lattices，CPLs)，形成包含有大量蛋白質(zhì)和RNA纖維狀的基質(zhì)。另外，已有研究發(fā)現(xiàn)核糖體與CPLs的形成存在聯(lián)系，核糖體數(shù)量的減少會(huì)引起CPLs數(shù)量的增加［4］。進(jìn)一步研究也已證實(shí)，按照rRNA的數(shù)量推算應(yīng)該有2/3的核糖體存在于卵母細(xì)胞中，但是在超微結(jié)構(gòu)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(shí)際上聚集在CPLs內(nèi)［4］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，與體細(xì)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(xì)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(xì)胞中的核糖體以1種超大分子結(jié)構(gòu)聚集在一起［6］。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)這些胞質(zhì)網(wǎng)格中也包含中間纖維如角蛋白，據(jù)此推測這些細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)為卵母細(xì)胞形成一個(gè)特殊的細(xì)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(yīng)因子復(fù)合體(Subcortical maternal complex，SCMC)，而且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)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(gòu)成［8］。研究發(fā)現(xiàn)，盡管SCMC復(fù)合體轉(zhuǎn)錄和翻譯獲得蛋白在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂和排卵過程中不斷降解，但是在早期胚胎發(fā)育階段仍然存在。在胚胎發(fā)育階段，SCMC處于卵裂球之間的以外的區(qū)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(fā)育的卵母細(xì)胞中存在，但其蛋白產(chǎn)物在發(fā)育到囊胚的階段一直存在。該基因敲除小鼠的卵母細(xì)胞可以正常生長發(fā)育(如進(jìn)行減數(shù)分裂、成熟和受精等)，但其胚胎由于沒有改變蛋白的作用會(huì)在2－細(xì)胞胚胎階段發(fā)生阻滯［8］。同樣也有研究發(fā)現(xiàn)在小鼠胚胎干細(xì)胞中高表達(dá)，利用打靶突變的方法研究發(fā)現(xiàn)Floped基因在非分化培養(yǎng)條件下對(duì)維持胚胎干細(xì)胞的特性不是必不可少的，但是該基因的缺失在分化培養(yǎng)條件下會(huì)加快胚胎干細(xì)胞分化的進(jìn)程。

2 SCMC復(fù)合體的結(jié)構(gòu)及功能

母源效應(yīng)因子復(fù)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(gòu)成。

(1)FLOPED蛋白定位在卵巢和卵母細(xì)胞中。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠Floped蛋白分子量為18 kD，含有164個(gè)氨基酸，是SCMC復(fù)合體中分子量最小的蛋白，含有1個(gè)單獨(dú)的含有70個(gè)氨基酸的KH(hnRNA K homology)區(qū)域，它的多聚體與單鏈核酸有關(guān)［9］。但是，人類的Floped蛋白含有149個(gè)氨基酸，與小鼠有39%的相同氨基酸。Flpoed蛋白是卵母細(xì)胞CPLs的主要成分。Floped缺乏會(huì)影響卵子細(xì)胞質(zhì)中網(wǎng)架狀結(jié)構(gòu)CPLs的形成［10］。敲除小鼠Floped基因后，并不會(huì)影響卵巢的發(fā)育、卵子發(fā)生、卵母細(xì)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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然在卵巢和卵母細(xì)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(wěn)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(fā)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(fā)育不良的表現(xiàn)也不會(huì)被改變［11］。由此可見，該基因與早期胚胎發(fā)育以及SCMC的形成緊密相關(guān)。

(2)Mater(Maternal antigen that embryo requires)基因，也名Nlrp5(Pyrin domain containing 5)基因，是第1個(gè)在小鼠中發(fā)現(xiàn)的母源基因，編碼125 kD的蛋白，由位于第7號(hào)染色體上單拷貝基因表達(dá)，其基因缺失會(huì)讓胚胎在2細(xì)胞發(fā)生阻滯［12］。同時(shí)，進(jìn)一步研究也發(fā)現(xiàn)由1 111個(gè)氨基酸構(gòu)成的蛋白包含1個(gè)NACHT結(jié)構(gòu)域和在終端存在2個(gè)重復(fù)的Motif結(jié)構(gòu)域［13］。通過研究小鼠自身免疫性卵巢功能發(fā)育障礙模型，母源效應(yīng)基因首先作為1個(gè)卵母細(xì)胞抗原被確定。Mater蛋白是由在卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的單拷貝基因表達(dá)的，并且持續(xù)表達(dá)到后期囊胚階段［11，14］。Mater－/－小鼠產(chǎn)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(jìn)行卵泡發(fā)生、卵母細(xì)胞發(fā)育、排卵和受精［15］。此外，在早期胚胎發(fā)育階段第1次卵裂也是正常的;但是，Mater－/－母鼠是不育的，因?yàn)樵谂咛グl(fā)育到2細(xì)胞階段時(shí)發(fā)生阻滯;此外，排出的卵母細(xì)胞和產(chǎn)生的胚胎數(shù)量與正常的小鼠沒有差異［15］。這些研究結(jié)果表明Mater基因?qū)τ?細(xì)胞以上的胚胎發(fā)育是必要的。研究發(fā)現(xiàn)，與Mater基因結(jié)合的因子被發(fā)現(xiàn)，即Filia基因［16］。Filia蛋白與Mater蛋白結(jié)合在一起，共同定位于卵母細(xì)胞核早期胚胎的亞皮質(zhì)區(qū)，在早期胚胎發(fā)育階段處于卵裂球聯(lián)系之處的外面，囊胚階段就處于胚胎外周－滋養(yǎng)層區(qū)域［16］。

(3)TLE6基因?qū)儆贕roucho/TLE轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)，在小鼠胚胎和成年小鼠的組織中大量表達(dá)。在神經(jīng)祖細(xì)胞中，TLE6通過與TLE1競爭性結(jié)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(dá)，能夠與SCMC的其余3個(gè)因子(MATER、FLOPED和FILIA)結(jié)合，形成母源效應(yīng)因子復(fù)合體，調(diào)控早期胚胎的卵裂。近年來，研究發(fā)現(xiàn)TLE6可以通過影響小鼠卵母細(xì)胞中微絲細(xì)胞骨架的功能來調(diào)控早期胚胎的對(duì)稱性分裂［17］。

(4)Filia基因編碼1個(gè)卵源性的基本的螺旋－環(huán)－螺旋(Basic helix－loop－h(huán)elix，bHLH)轉(zhuǎn)錄因子，分子量在50 kD左右，能夠與第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)的母源因子Mater蛋白相互結(jié)合，在調(diào)控激活透明帶基因方面發(fā)揮著重要的作用［18］。Filia基因缺失不僅會(huì)影響透明帶基因的表達(dá)，而且會(huì)阻滯原始卵泡的發(fā)育和生長［18－19］。Filia基因只有在性成熟動(dòng)物的生長的卵母細(xì)胞中表達(dá)。隨著卵母細(xì)胞減數(shù)分裂和排卵的進(jìn)行，卵母細(xì)胞中貯存的轉(zhuǎn)錄因子及蛋白逐漸降解，但其表達(dá)的蛋白在胚胎早期發(fā)育階段會(huì)持續(xù)發(fā)揮作用［20］。最近研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ilia基因敲除后會(huì)引起卵母細(xì)胞中因紡錘體不正常組裝導(dǎo)致的染色體非倍體的形成及紡錘體組裝檢查點(diǎn)(Spindle assembly checkpoint，SAC)失活等，其具體機(jī)制是通過RhoA信號(hào)通路影響主要的紡錘體組裝調(diào)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(duì)于卵母細(xì)胞發(fā)生和早期胚胎發(fā)育起調(diào)控作用的分子機(jī)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(qū)別(如排卵數(shù)量和合子基因啟動(dòng)處在不同胚胎階段)決定了這些母源性的效應(yīng)基因以及表達(dá)還是存在較大的差異，甚至同樣的基因在不同的動(dòng)物之間完全不同［22－23］。由此可見，盡管SCMC在小鼠早期胚胎發(fā)育的研究已有報(bào)道，但是在其他大的動(dòng)物(如牛和豬等)中尚未見報(bào)道。研究表明，SCMC復(fù)合體對(duì)于小鼠早期胚胎超越第1次卵裂是必不可少的［1，8］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SCMC是卵母細(xì)胞胞質(zhì)中肌動(dòng)蛋白F－actin網(wǎng)絡(luò)形成中必不可少的，該纖維控制卵母細(xì)胞中紡錘體的中心位置，從而確保小鼠合子的對(duì)稱性分裂;另外，SCMC是通過Cofilin蛋白(肌動(dòng)蛋白F－actin組裝的重要調(diào)控因子)來控制細(xì)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(dòng)物早期胚胎發(fā)育的作用研究還較少。盡管有關(guān)SCMC對(duì)于早期胚胎發(fā)育調(diào)控的研究已有報(bào)道(主要限于小鼠的研究)，但是有關(guān)大動(dòng)物SCMC調(diào)控早期胚胎發(fā)育的機(jī)制仍不清楚，目前還未見到國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

由此可見，SCMC可能是通過形成胞質(zhì)中的CPLs，調(diào)節(jié)F－actin的組裝，從而調(diào)節(jié)紡錘體的形成，影響早期胚胎的發(fā)育，但其具體的調(diào)控途徑以及網(wǎng)絡(luò)也還不清楚，有待于進(jìn)一步研究。

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