生物学界新突破!刘默芳、丁德强和王鑫揭示了精子形成背后的分子奥秘。

2024-03-19 生活常识 关注公众号
蛋白质-组蛋白复合物介导miwi(mitochondrial insertion of protein-interfering RNA)在重组伴侣颗粒(germ granules,GMs)中的组装,这是精子发生过程的关键步骤之一。研究人员通过实验发现,当调控miwi蛋白-组蛋白复合物的浓度时,可以影响miwi的跨膜运输,并进而影响siRNA的负载情况,从而影响siRNA与其配体如TDRD6的结合以及对siRNA基因表达的影响。这项研究为我们理解哺乳动物生殖细胞如何将miwi运送到核内提供了一种新视角,对于哺乳动物生殖细胞的功能和遗传调控有着重要的意义。

引言

在小鼠中,Intermitochondrial Cement(IMC)和拟染色质体(chromatoid body,CB)被定位为piRNA活性的中心位点,MIWI首先在IMC组装以加工piRNA,然后转运到CB进行功能部署。然而,支撑MIWI转移的监管机制仍然难以捉摸。

2024年3月15日,中国科学院分子细胞科学卓越创新中心/国科大杭州高等研究院刘默芳研究员、同济大学丁德强教授和国科大杭州高等研究院王鑫副研究员共同通讯在

Nature Communications

 发表题为“

piRNA loading triggers MIWI translocation from the intermitochondrial cement to chromatoid body during mouse spermatogenesis”的研究论文,该研究揭示了piRNA加载是MIWI从IMC到CB易位的触发因素。

从机制上讲,piRNA加载通过削弱其与线粒体锚定的TDRKH的联系来促进 MIWI从IMC释放。这反过来又使MIWI的精氨酸甲基化成为可能,增强了其对TDRD6的结合亲和力并确保其在 CB 中的整合。值得注意的是,piRNA加载能力的丧失导致MIWI在IMC中捕获及其在雄性生殖细胞中的不稳定,导致小鼠精子发生缺陷和雄性不育。总的来说,该研究确立了piRNA在精子发生过程中MIWI易位中的关键作用,为哺乳动物的piRNA生物学提供了新的见解。

生殖颗粒(Germ granules)是主要存在于动物生殖细胞细胞质中的无膜细胞器,是各种RNA中心过程的组成部分。

虽然在动物生殖细胞中发现了大量具有不同成分和功能的生殖颗粒,Intermitochondrial Cement(IMC)和拟染色体(CB)是哺乳动物雄性生殖细胞中最广泛的特征。IMC可见为位于线粒体簇中的电子致密颗粒,首先出现在胎儿前精原细胞(prospermatogonia),在中粗线期精母细胞(mid-pachytene spermatocytes)中变得明显,然后随着线粒体弥散在晚粗线期精母细胞(late-pachytene spermatocytes)中逐渐解体,并在减数分裂后精子细胞阶段完全消失。

相比之下,CB前体细胞在晚粗线期精母细胞中以小颗粒的形式出现,位于靠近核包膜。

在减数分裂后的圆形精子细胞中,这些前体合并成CB,这是一种单生的、细丝状的、分叶状的核周颗粒。

值得注意的是,IMC和CB被假设分别作为哺乳动物雄性生殖细胞中 piRNA 加工和功能的平台。IMC 中 piRNA 加工蛋白的富集证实了这一观点,以及CB 中存在感受态 PIWI/piRNA 复合物。

尽管人们普遍认为IMC为CB提供前体材料,在 IMC 中产生的成熟 piRNA如何转变为CB中piRNA机制中的功能实体的机制基础仍然难以捉摸。

piRNA被认为与属于Argonaute家族PIWI分支的蛋白质合作,从而促进了它们的生物学作用,这对动物的生殖系发育至关重要。

PIWI/piRNA复合物的主要作用是沉默转座元件,从而保护种系基因组的完整性。然而,后来的研究已经证明了它们在蛋白质编码基因调控中的作用,扩大了对动物生殖细胞中PIWI/piRNA功能的理解。

在小鼠中,PIWI家族蛋白MIWI、MILI 和 MIWI2 在雄性生殖细胞中特异性表达,在精子发生过程中表现出时间和空间表达模式。

特别是,MIWI表达在粗线期精母细胞中起始,并通过减数分裂后的精子细胞持续存在。

先前的研究表明,MIWI最初通过与线粒体锚定的Tudor结构域蛋白TDRKH相互作用被募集到IMC,用于中粗线期精母细胞中的piRNA 加工。此后,MIWI在圆形精子细胞的CB中富集,在那里,MIWI与piRNA复合,发挥调节转座子和蛋白编码mRNA转录的功能。

尽管如此,在男性生殖细胞发育过程中,MIWI从产生piRNA的内乳细胞顺序易位到具有piRNA功能的CB的机制仍然是piRNA生物学的一个谜。

该研究阐明了piRNA负载在介导 MIWI 从 IMC到CB 的易位中的关键作用。

研究结果表明,piRNA负载促进了MIWI与TDRKH的脱离,促进了其从IMC的释放。值得注意的是,

这种分离使 MIWI 蛋白为精氨酸甲基化奠定了基础,随后通过其甲基化的精氨酸残基促进了其与TDRD6的结合,从而最终将其整合到CB中。

模式图(Credit: 

Nature Communications)

通过产生piRNA加载缺陷的 Miwi突变小鼠,该研究证明了MIWI中piRNA 加载能力的丧失阻碍了其在精子发生过程中从 IMC 到 CB 的易位。

这种阻塞严重破坏了发育中的雄性生殖细胞中的MIWI稳定性,并导致小鼠的精子发生缺陷和雄性不育。

总的来说,该研究揭示了MIWI在发育中的雄性生殖细胞中连续易位的分子动力学,并在小鼠雄性生殖细胞分化过程中的piRNA加工和功能之间建立了机制桥梁。

|探索君

排版|探索君

文章来源|“iNature”

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一只迷路的狗獾引来社区居民们的关注:警保合力化解紧急情况

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"近日,南京市公安局鼓楼分局阅江楼派出所接到辖区一小区保安求助,称在小区地下室发现一只从未见过的动物。接到报警后,民警立即赶到现场,发现一只小动物在地下室的角落蜷缩成一团。保安称,他在小区地下室巡逻时,闻到了一股异味,顺着这股味道在角落里找到了它。民警了解情况后,与保安相互配合,使用专业工具将其安全捕获。随后,民警联系了红山森林动物园野生动物救助中心,将小动物送到了救助中心。经动物园工作人员鉴定,这只小动物学名为狗獾,在我国很多地区都比较常见,被列入《有重要生态、科学、社会价值的陆生野生动物名录》。工作人员表示,狗獾性格凶猛,有锐利的爪子和牙齿,在受到惊吓时有一定的攻击性。警方提醒,在生活中遇到野生动物时,可以第一时间报警或者联系动物保护部门,尽量避免与动物直接接触,确保自身安全,也能确保动物得到妥善处置。"

生活常识 11.10
探秘龙江:数万鸟的国宝聚首宝清,展现大自然的魅力与神奇

探秘龙江:数万鸟的国宝聚首宝清,展现大自然的魅力与神奇

近期,在黑龙江省双鸭山市宝清县,数千只东方白鹳集结,展示其优雅动人的身影。东方白鹳被誉为“鸟类国宝”,主要生活在开阔且偏远的平原、草地和沼泽地带,尤其喜欢那些有稀疏树木生长的河湖和水塘。此次出现在宝清的东方白鹳群数量可观,规模宏大,展现出良好生态状况。

生活常识 11.10
他与西南联大同窗李政道:前后脚的人生轨迹,值得深思

他与西南联大同窗李政道:前后脚的人生轨迹,值得深思

叶铭汉早于他一步毕业于浙江大学物理系,而且他在昆明春城的一段时光里,与李政道成为室友。1946年5月4日,四位同窗好友在西南联大校园内合影,当时的合影证明他们之间的友情非常深厚。叶铭汉的父亲叶企孙曾将他们的相片作为毕业纪念品赠予他人。尽管这四位学子后来没有在同一个领域取得重大的成就,但他们的友情一直被人们传颂。

生活常识 11.10
守护好我们的心理健康,从预防抑郁症开始——让生活充满阳光

守护好我们的心理健康,从预防抑郁症开始——让生活充满阳光

2024年世界精神卫生日,我国抑郁症患病率高但患者治疗率低,未来可能有更多科学治疗方法。该书作者分享了弗洛伊德与克雷佩林对于抑郁症的不同观点,强调了其根源在于个体潜意识中的悲剧,通过精神分析缓解抑郁症。其中提到,亚伯拉罕在1911年提出首个关于抑郁症的精神分析理论,认为精神障碍症状可以追溯到大脑。

生活常识 11.10
每日多食70g红肉可降低结直肠癌风险!真相揭示:背后机制曝光

揭秘70g红肉每日摄入与结直肠癌风险的关系

每日多食70g红肉可降低结直肠癌风险!真相揭示:背后机制曝光 揭秘70g红肉每日摄入与结直肠癌风险的关系

烤肉火锅可以为人们带来一场快乐的大餐,但其背后的恶性影响也不容忽视。根据科学研究,红肉中的铁离子会引发多种癌症疾病,包括结直肠癌。适量食用红肉可以帮助提高免疫力,但过多则可能导致健康问题。建议大家在享受美食的同时,也要注意身体的健康。

生活常识 11.10
多地警惕:诺如病毒急性胃肠炎高发季,如何有效预防与应对?

多地警惕:诺如病毒急性胃肠炎高发季,如何有效预防与应对?

诺如病毒引起的急性感染性腹泻已进入发病高峰期。诺如病毒属于人类杯状病毒科(Human Calicivirus, HuCV),可全球范围内引起人和多种动物发生急性肠胃炎。每年10月到次年3月是诺如病毒感染性腹泻流行的高发期。

生活常识 11.10