哺乳动物精子发生中转录调控机制的特点2008

医学分子生物学杂志,2008,5(1):65268　J Med Mol B i ol,2008,5(1):65268
资助项目:国家重点基础研究发展规划项目(973计划)
(No 12004AA205010)
通讯作者:陈学进(电话:021*********,E 2mail:chenxuej@ya 2
hoo 1com 1cn
)This work was supported by the Special Funds f or Maj or State Basic Re 2search Pr ogra m of China (973Pr ogram )(No 12004AA205010)Corres ponding author:CHE N Xuejin (Tel:86221255950381,E 2mail:
chenxuej@yahoo 1com 1cn
)哺乳动物精子发生中转录调控机制的特点
夏小雨,陈学进
上海交通大学医学院附属新华医院发育生物学重点实验室　上海市,200092
【摘要】　在哺乳动物精子发生中,存在着特异而精细的转录调控。

生精细胞中活跃的转录活动,终止于圆形精子细胞向长型转变的过程之初。

睾丸特异性转录调控包括:转录装置的过度表达、睾丸特异性转录因子及启动子的利用,特异性的转录调控途径。

转录后调控的作用也十分重要。

这些分子事件与卵子发生中的转录调控互有异同。

【关键词】　哺乳动物精子发生;睾丸特异性转录调控;转录后调控【中图分类号】　Q954143,Q756
Character isti cs of Tran scr i pti ona l Regul a ti on i n M amma li a n Sperma t 2
ogenesis
X I A Xiaoyu,Chen Xuejin
Key L abora tory of D evelop m en tal B iology,X inhua Hospital,M edical College of Shanghai J iaotong U niversity,Shanghai,200092,China
【Abstract 】　Sper mat ogenesis is a comp licated cellular differential p r ocess under p recise contr ol 1Transcri p ti on in ma mmalian s per mat ogenesis is highly active until m id 2stage of s per m i ogenesis when it suddenly ceases 1Testis 2s pecific transcri p ti onal regulati on involves over 2exp ressi on of transcri p ti on apparatus,s pecific transcri p ti onal fact ors,a relaxed p r omoter selecti on,as well as s ome s pecial sig 2naling path ways 1Post 2transcri p ti onal regulati ons are als o i m portant,such as RNA st oring in a RNP for m 1I n the end,transcri p ti onal regulati on in ma mmalian s per mat ogenesis is compared with that in oogenesis 1
【Key words 】　ma mmalian s per mat ogenesis;testis 2s pecific transcri p ti onal regulati on;post 2tran 2
scri p ti onal regulati on 哺乳动物的精子发生(s per mat ogenesis )是受精细调控的细胞分化事件。

在激素作用下,睾丸中的精原干细胞经有丝分裂、减数分裂和精子形成(s per m i ogenesis )后,成为单倍体的长型精子,再被输送到附睾中进一步完成营养、修饰等,从而获得运动和受精能力。

在小鼠中,减数分裂后的单倍体精子细胞的形变可分为16个阶段(step1～16),其中step1～8为圆形精子细胞,染色质仍为典型的核小体结构;
step9～16的细胞称为转变中的长型精子细胞(el on 2gating s per matids )。

在step9时,过渡蛋白(transiti on p r oteins,TPs )在核中出现,并开始替换组蛋白。

在step12前后,精蛋白(p r ota m ines )出现并开始替换过
渡蛋白,最终将DNA 包装为特异的高度浓聚的构象。

同样的染色质结合蛋白替换过程,也存在于大鼠、人和其他哺乳动物的精子细胞中。

生精细胞中的基因转录调控与体细胞及卵子发生中的调控有明显区别。

对精子发生中基因转录调控的特点进行深入研究,可以增进对精子在受精及早期胚胎发育中的作用的理解。

1　哺乳动物精子发生中转录概况
现代分子生物学对转录及其调控机制的了解是
建立在对体细胞的研究之上的。

但是,精子发生中
的转录及其调控有许多不同于体细胞中的特异性,按照转录时期、内容和特点的不同,可以分为3个主要时段:精原细胞增殖期;精母细胞分化期;精子形成期。

自A型精原细胞至stageⅡ期B型精原细胞,转录持续活跃,尤其以r DNA为主要对象。

随着stageⅡ期B型精原细胞进入有丝分裂,转录暂趋停止。

B型精原细胞有丝分裂形成初级精母细胞,细胞中的转录水平逐渐升高,并在粗线期精母细胞的中期达到精子发生中的的最高峰。

精母细胞中转录的对象,以编码转录装置、包括特异性转录因子的基因为主。

随着精母细胞连续发生两次分裂,转录再次趋于暂停。

精子发生在减数分裂后进入精子形成期。

此时,在单倍体圆形精子细胞中,转录再次启动,这是精子发生中转录事件最显著的特点,它的发现打破了单倍体基因组无功能的传统假设[122]。

这一时期的转录总体水平远低于精母细胞期,但其功能却非常重要,以睾丸特异性基因为转录主要对象,其翻译产物多是成熟精子所必需的结构蛋白或功能蛋白。

在小鼠和大鼠中,转录分别在step7和step8终止。

2　哺乳动物精子发生中转录调控的显著特点
211　精子发生中的染色质结构变化
基因活性与染色质结构密切相关。

在精子发生中,染色质组成及结构发生着活跃的变化。

伴随着减数分裂,多种睾丸特异的生精细胞型组蛋白被合成,并逐渐替代了体细胞型,组蛋白的乙酰化、泛素化、磷酸化、甲基化等修饰广泛发生[3]。

Step9之后,新合成的过渡蛋白逐渐替换了90%以上的组蛋白,随后又被精蛋白所取代[4]。

最终,精子核被包装为特异性的高度浓聚的结构,但是在特定位点仍有极少量的核小体结构残留。

212　高表达的转录装置
在生精细胞中,存在着转录装置的冗余(re2 dundancy),例如过量表达的T AT A盒结合蛋白(T AT A2box binding p r otein,T BP)、TFⅡB和RNA poly meraseⅡ。

T BP既是重要的通用转录因子,也是生精细胞中高表达的产物。

在啮齿类睾丸细胞中,每单倍体基因组所对应的T BP mRNA含量为80～200条,是体细胞中含量的35～280倍[5]。

T BP蛋白的平均含量为成体肝细胞中数值的8倍,成体脾细胞中的11倍。

如此高浓度的T BP蛋白是否都直接参与生精细胞中的转录,目前尚不清楚。

213　特异性转录因子
哺乳动物生精细胞表达许多体细胞转录因子的异构物(is of or m),这是精子发生中转录调控的重要方式,例如T BP相关因子(T BP2like fact or, T LF)、TF II A t/ALF、T AF7L、T AF II Q等。

在非哺乳动物如果蝇的精子发生中也有此现象。

这些分化阶段特异性转录因子可与通用转录因子同时存在,并发挥独特功能。

214　启动子选择
对启动子的选择性使用在生精细胞中十分常见。

如对血管紧张素转化酶(angi otensin converting enzy me,ACE)基因的转录可以从第12内含子处开始,其产物为生殖细胞特异性的ACE同工酶,ACE 同工酶系在雄性体内的异常表达可引起生育力下降或睾丸肿瘤[6]。

生精细胞中,对T BP的转录可从6种不同的启动子处开始,以3种为主,3种为辅,共产生10种mRNA[7]。

同样的,对原癌基因c2abl、c2 m os以及前脑啡肽、睾丸细胞色素C、超氧化物歧化酶1和β2半乳糖苷转移酶等基因的转录也都有多位点起始的现象。

这可能是由于,生精细胞中染色质结构的转变、以及过量表达的转录装置降低了启动子识别的严紧性(stringency)。

还可能是睾丸功能基因调控的一种方式。

同一基因的不同转录产物含有不同的5′或3′非编码区(untranslanted regi on, UTR),并由此决定之后的加工途径和功能。

215　特异性调控途径
21511　T LF的多重作用　作为转录因子,T LF不能取代T BP的功能,它主要参与启动含T AT A2less 启动子的基因,通过与常染色质或异染色质结合,对基因转录起激活或抑制作用。

在精子细胞中,着丝粒异染色质区会浓聚成为染色中心(chr omocenter)结构。

而在tlf基因敲除小鼠中,不能形成这一结构,却出现多个较小的分散的染色质凝集区[829],且顶体形成异常。

这说明T LF是精子形成过程中重要的结构因子。

tlf基因敲除小鼠中,精子细胞中的多种基因表达被删除,最终,圆形精子细胞在step7之后出现凋亡和降解。

21512　ACT2CRE M途径　还有一类转录因子,在生精细胞中采用与在体细胞中完全不同的途径参与转录调控。

现以c AMP应答元件调控因子(c AMP res ponsive ele ment modulat or,CRE M)为例,它是在睾丸中特异性高表达的c AMP应答元件结合蛋白(c AMP res ponse ele ment binding p r otein,CRE B)家族成员。

在生精细胞中,CRE M不发生磷酸化,不与CRE B结合蛋白(CRB2binding p r otein,CBP)
·
6
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·夏小雨,等.哺乳动物精子发生中转录调控机制的特点
结合;而是被睾丸CRE M 激活子(ACT )激活,
然后与TF II A 结合,再通过后者选择组成TF II D 的
转录因子,以此调节转录(图1)[10211]。

生精细胞中受CRE M 调控的基因有前顶体素、钙精蛋白、过渡蛋白、精蛋白等。

C re m 和tlf 基因敲除小鼠的表型非常相似,均表现为精子形成的停滞和个体不育[12]。

CRE M 和T LF 可能通过TF II A 的中介而发挥协同作用(图1)。

图1　CRE M 在体细胞和雄性生殖细胞中的不同调控途径
3　精子发生中转录停止的机制
Car on 等
[3]
提出了转录终止机制的一种假说。

一些精子细胞特异性因子,如CDY L,可以招募去乙酰基转移酶(HDACs ),从而引起精子细胞中的组蛋白大规模去乙酰化。

类似机制可能引发了组蛋白的去泛素化。

上述因素,以及组蛋白众多位点上的甲基化,使染色质逐渐转变为非活性结构,转录逐渐停止。

之后,在转变中的长型精子中,突然发生了HDACs 的大规模降解。

这就引发了新一轮组蛋白超乙酰化(hyperacetylati on )的浪潮,并招募诸如BRDT 一类的因子,引发一系列染色质浓聚事件,包括组蛋白的解离及过渡蛋白的组装。

转录终止于step 7～8时期的圆形精子细胞中,而过渡蛋白step 9时才在核中出现,染色质开始浓聚的时间比转录终止更晚,因此不可能是其原因。

精子发生中转录停止的机制仍待深入研究。

4　精子发生过程中的特异性转录后调控
411　RNA 结合蛋白的作用
与体细胞相比,精子发生中的转录后调节也有
其独特之处。

首先,mRNA 的不同命运很可能是由非编码区的组成决定的。

与体细胞中hnRNA 的快速代谢相比,精子发生中所表达的hnRNA 具有很高的稳定性,许多过量表达的hnRNA 或mRNA 被转运至胞质,通过5′或3′非编码区与不同的蛋白
质结合[13215]
,形成稳定的核糖核蛋白(RNP )颗粒,大量储存在精子细胞胞质特有的浓染颗粒(chr omat oid body )中。

这些储存起来的mRNA,直至减数分裂后、精子形成晚期才有可能被翻译。

最终,一部分RNP 颗粒未参与翻译,而随胞质残余小体(residual body )从精子中清除;还有少量仍存在于成熟精子中。

例如,生精细胞中存在10种不同的T BP mRNA ,通过不同的非编码区序列来决定翻译时序。

但最终的蛋白产物却只有一种。

412　m RNA 聚腺苷酸尾的脱腺苷酸化
过渡蛋白和精蛋白基因的mRNA ,都含由160
个腺苷酸组成的聚腺苷酸尾[poly (A )tail ],通过3′非编码区与蛋白质结合,储存在胞质中。

当此类mRNA 与多聚核糖体结合时,其聚腺苷酸尾会发生
部分脱腺苷酸化(deadenylati on )[16217]。

聚A 结合蛋白[Poly (A )2binding p r oteins ]在此过程中发挥重
要作用[18219]。

413　成熟精子中贮存的RNA
在成熟精子中,存在大约5000种不同的mR 2
NA [20]。

此外还有其他形式的RNA ,如U1和U2snRNA 。

它们主要定位于精子头部,如精子核内、核周隙。

还有少量可能分布在精子尾部的线粒体、纤维鞘、轴丝中。

成熟精子中的RNA 可能发挥重要作用。

首先,它们可能作为翻译前的储备,维持精子必需蛋白的代谢平衡。

线粒体中发现的翻译活动也可以支持这
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一假设。

因为RNA是核膜的组分,所以RNA还可能参与稳定DNA与核膜之间的接触。

精子将多种多样的RNA传递给了受精卵,其中有一些是卵子中不存在的[21]。

合子中的父源RNA,还可能以si RNA的方式,参与雄原核和基因组印迹的形成。

5　与哺乳动物卵子发生中转录调控的异同点
511　共同点
哺乳动物配子发生过程中都包含着十分活跃的转录活动,并伴随着染色质结构的广泛修饰/变化[22223]。

都存在转录装置的过量表达、特异性的转录因子与转录调控途径。

其产物构成配子发生特异性的表达谱,并共享多种转录后调控机制。

许多基因被过量表达,然后以RNP的形式存储在胞质中,参与配子的后期成熟,并在胚胎的早期发育中发挥重要作用。

512　不同点
首先,转录停止的时间点和机制不同。

在卵母细胞中,随着生发泡破裂(ger m inal resicle break2 down,G VBD),转录于M I期终止。

而在精子发生中,减数分裂后的单倍体细胞中仍存在着活跃的转录,直至染色质发生浓聚的前夕方才停止。

这就提示我们,两亲本配子发生中,转录终止的机制可能不同。

前者可能与细胞进入减数分裂M期、染色质被包装为染色体有关。

其次,转录装置和转录产物的命运不同。

毕竟,成熟卵子与精子采用了截然不同的生殖策略。

未受精卵中仍存在高表达的转录装置,并保留了大量RNP颗粒。

而在精子中,大部分产物RNA、RNP和绝大部分转录装置被清除。

近年来,中国和许多经济发达国家的统计数据表明,男性不育症的发病率呈逐年上升。

精子发生的机制及其影响因素越发成为研究热点,而其中转录调控的机制无疑是关键部分,对诊疗男性不育症、生殖系统肿瘤提供重要的理论支持。

精子内容物对胚胎的贡献也越来越受到研究者的重视。

在临床上,对精子内mRNA的检测可发展为非侵入性的人类优生学技术。

对其他动物而言,精子是转基因的理想载体,陆续有这方面的研究结果问世。

总之,在发育及生殖生物学蓬勃发展的今天,对精子发生机制的研究必将深入展开,并获得重大反响。

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