RNA聚合酶II自然降解在卵母细胞染色质重组和母源-合子转换中的关键作用

《Nature Communications》：Natural degradation of RNA polymerase II is essential for oocyte chromatin reorganization and maternal-to-zygotic transition

　　本研究揭示了RNA聚合酶II(RNAPII)自然降解是驱动哺乳动物卵母细胞染色质从非环绕核仁(NSN)向环绕核仁(SN)构型重组的关键机制。研究人员通过建立miniTrim-Away技术，证明RNAPII降解通过产生全局染色质塌陷力和局部吸引力，诱导NSN向SN转变，这对于胚胎发育潜能至关重要。该研究为理解卵母细胞成熟机制提供了新视角。

　　

在哺乳动物卵子发生过程中，生长中的卵母细胞经历着关键的染色质重组事件——从非环绕核仁(NSN)构型转变为环绕核仁(SN)构型。这一转变伴随着转录活性的沉默，并且SN构型的卵母细胞表现出更高的发育能力。然而，数十年来，驱动这一重要生物学过程的分子机制一直是个未解之谜。

近日发表在《Nature Communications》上的研究首次揭示，RNA聚合酶II(RNAPII)的自然降解是驱动卵母细胞染色质从NSN向SN构型转变的关键机制。该研究不仅阐明了这一基础生物学过程的核心驱动力，还为改善辅助生殖技术中卵母细胞质量提供了新的理论依据。

研究人员主要运用了包括miniTrim-Away（一种针对核蛋白的靶向降解技术）、低输入量Hi-C（用于三维基因组分析）、CUT&Tag（用于染色质蛋白定位分析）、活细胞成像、免疫荧光染色、免疫印迹以及体外受精等技术方法。人类卵母细胞样本来源于生殖中心的患者捐赠。

RNA聚合酶II抑制剂可异位诱导小鼠卵母细胞NSN向SN转变

研究人员首先建立了通过活细胞染色区分NSN和SN卵母细胞的工作流程，并系统比较了28种核组分的定位和强度。发现大多数核组分在SN卵母细胞中表达下调。通过小分子抑制剂和过表达等方法，研究人员发现放线菌素D(ActD)能够诱导NSN向SN转变。进一步实验表明，特异性抑制RNAPII的抑制剂triptolide和α-amanitin能够在7小时内诱导NSN向SN转变，并且伴随着RNAPII的降解。

诱导的SN样细胞核重现了SN卵母细胞的表观遗传特征、染色质相互作用和发育潜能

通过表观遗传标记分析、低输入量Hi-C和体外受精实验，研究人员证实α-amanitin处理的NSN卵母细胞在表观遗传特征、染色质空间结构和发育潜能方面都与天然SN卵母细胞相似，说明诱导产生的SN样细胞核在功能上是成熟的。

转录沉默不足以异位诱导NSN向SN转变

研究发现，使用8-氨基腺苷(8-AA)和7-脱氮腺苷(7-DAA)等化合物抑制转录但不降解RNAPII，并不能诱导NSN向SN转变。这表明单纯的转录沉默并不足以驱动染色质构型的转变，RNAPII的降解是必要条件。

靶向降解RNAPII足以诱导小鼠和人类卵母细胞的NSN向SN转变

研究人员开发了miniTrim-Away技术，通过表达针对RNAPII磷酸化丝氨酸2(pS2)的单链抗体片段与Trim21的RING结构域融合蛋白(42B3-t21R)，实现了在卵母细胞核内特异性降解RNAPII。表达42B3-t21R能够诱导小鼠和人类卵母细胞发生完全的NSN向SN转变。

分离酶和蛋白酶体介导的RNAPII降解是NSN向SN转变所必需的

体内实验表明，在卵泡生长后期，磷酸化的RNAPII在蛋白水平上被特异性降解，伴随着NSN向SN的转变。使用分离酶抑制剂CB-5083或蛋白酶体抑制剂MG132处理体外培养的卵泡，能够抑制RNAPII的降解并阻断NSN向SN转变。

RNAPII降解通过剥离染色质结合的RNAPII诱导NSN向SN转变

研究发现，NSN卵母细胞中RNAPII水平显著高于体细胞，且主要以磷酸化形式结合在染色质上。通过CUT&Tag技术绘制了磷酸化RNAPII在染色质上的结合图谱，发现其广泛结合于基因启动子、基因体和3'端远端基因间区域。使用CDK7抑制剂THZ1处理能够完全释放染色质结合的RNAPII并诱导完全的NSN向SN转变，且染色质结合的RNAPII水平与染色质体积呈线性相关。

去除染色质结合的RNAPII诱导了NSN向SN转变所需的全局塌陷力和局部吸引力

研究表明，RNAPII的降解增加了染色质的流动性（全局塌陷力），并同时通过核仁表面重塑产生了局部吸引力，使得染色质能够环绕核仁排列。通过组蛋白过表达或人工将染色质锚定在核周缘可以抑制外周染色质的塌陷，但不影响核仁周围染色质环的形成。在缺乏核仁的Npm2条件性敲除小鼠的卵母细胞中，虽然无法形成染色质环，但外周染色质的塌陷仍然发生，表明这两种力量是相互独立的。

来源于NSN卵母细胞的胚胎具有异常的RNAPII水平和定位，并且母源-合子转换存在缺陷

研究最后发现，来源于NSN卵母细胞的胚胎在RNAPII水平和核内定位上存在异常，表现为虽然总RNAPII水平较高，但核内RNAPII和磷酸化RNAPII水平较低，转录活性也较低。这些胚胎在母源-合子转换过程中存在缺陷，包括次要合子基因组激活(ZGA)异常和母源mRNA降解延迟，导致其发育停滞在1-细胞期。

该研究首次阐明了RNAPII降解在卵母细胞染色质重组中的核心作用，揭示了转录沉默与染色质重构之间的耦合机制。这一发现不仅深化了对卵母细胞成熟和早期胚胎发育机制的理解，而且为临床改善卵母细胞质量提供了新的潜在靶点。研究所开发的miniTrim-Away技术也为在各类细胞，特别是难以转染的细胞中研究核蛋白功能提供了强大的工具。这项研究为解决生殖医学中的重要问题提供了新的理论基础和技术手段。