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探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

发布时间: 2019-09-18
浏览量: 23
来源:
景杰学术/精选



编辑注 | 我们一直致力于打造蛋白质组学领域最自由的学术交流平台,除专家视界栏目,通过不定期邀请领域内的专家与学者,或分享他们的见解和对未来的展望外,还将定期精选与蛋白质组学、翻译后修饰等相关科学研究盘点,内容涵盖精准医学、表观遗传学与组蛋白修饰、外泌体、植物蛋白质组学等方面。欢迎关注!


生殖是物种繁衍的永恒主题,是动物及人类繁衍的必经过程,同时也是保证生物多样性的基础。生殖生物学(Reproductive biology)是研究整个生殖过程的一门学科,主要研究性别决定、性腺发育、配子发生、受精、胚胎发育及着床、妊娠维持、胎盘发育和分娩等过程的调控,以及生殖道的恶性肿瘤、异常妊娠、生殖道感染、环境和职业性危害等对生殖的影响等问题。此外,生殖生物学也研究在青春期、泌乳期、衰老期和妊娠期等过程中与生殖相关的内分泌变化等,已成为生物学中一个活跃的、充满机遇和挑战的重要研究领域。

蛋白质组学,尤其是蛋白质的翻译后修饰是近年来的研究热点,对揭示生殖发育调控的分子机制具有重要价值。近年来,随着蛋白质组学技术的快速发展,已经广泛应用到生殖生物学的研究过程中,使得人们对生殖过程中的各种现象及其分子机制的了解有了长足的进步。

为促进我国生殖生物学领域同行的交流与合作,由中国动物学会生殖生物学分会和中国生理学会生殖科学专业委员会联合主办的第三次联合学术年会暨生殖生物学分会第十七次学术年会和生殖科学专业委员会第三届学术交流会将于2019年9月19-21日广西壮族自治区桂林市举行。今天,借此契机,我们从配子发生调控、生殖及相关疾病胚胎发育调控这几个生殖生物学的重要研究主题,精选了部分高水平研究成果,以飨读者。

由于篇幅的限制,我们只精选出其中具有典型代表性的9篇研究论文在即将召开的大会上,潘宗德博士还将受邀发表学术报告,更深入的分享最新的4D蛋白质组学、翻译后修饰在生殖生物学领域中的应用,感兴趣的老师也可莅临现场交流



探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期




配子发生调控




配子发生受到转录、翻译和翻译后修饰的调控,而蛋白质的翻译后修饰尤其是泛素化巴豆酰化甲基化等在精子形态建成、减数分裂和体细胞-生殖细胞互作调控过程中的发挥重要作用。通过定量蛋白质组学技术,可筛选配子发生过程中的特定修饰位点,或研究该过程中的蛋白质谱与翻译后修饰谱变化,从而进一步解析配子发生过程中的调控机制。

Molecular Cell尚永丰院士团队揭示组蛋白巴豆酰化在精子发生中的调控作用




组蛋白翻译后修饰在基因转录调控和染色质重塑等染色质调节过程中发挥重要作用。北京大学医学部的尚永丰院士团队在Molecular Cell上发文,研究揭示了CDYL(chromodomain Y-like transcription corepressor )作为水合酶,能够通过水解巴豆酰辅酶A负调控组蛋白的巴豆酰化修饰,进而调节转录和精子发生的过程。




探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期




研究者首先通过体外实验的方法证明CDYL具有直接的巴豆酰辅酶A(crotonyl-CoA)水合酶活性,催化crotonyl-CoA转化为beta-hydroxylbutyryl-CoA。在小鼠睾丸中,CDYL和组蛋白巴豆酰化呈现相斥的分布,这符合二者之间的负调控关系。而过表达CDYL的小鼠其组蛋白的巴豆酰化水平出现下降,并且导致其精子数量的减少和精子活力的降低。

探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

图1. 组蛋白巴豆酰化修饰受到CDYL的调节并在精子发生过程中起到重要作用


Cell Reports:酰化修饰组学揭示精子发生过程中总组蛋白高乙酰化的分子机制


在哺乳动物精子发生过程的晚期会发生一个独特的生理性的全基因组范围的组蛋白高乙酰化,并与随后发生的组蛋白-鱼精蛋白取代过程相关。组蛋白修饰的异常改变可能会损伤精子的发育过程,导致雄性不育。2018年,Cell Reports 报道了Shiota 等研究者运用酰化修饰组学技术,揭示了精子发生过程中雄性基因组最终致密化之前总组蛋白高乙酰化的分子机制。
 

探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


研究发现致癌因子Nut特异性表达于减数分裂后的雄性生殖细胞中,对雄性的生育能力至关重要。Nut通过募集p300和CBP蛋白驱动细胞类型特异性的组蛋白H4K5和H4K8的乙酰化,介导了组蛋白到精蛋白的替换。研究结果强调了特殊的辅助因子可以在特定环境中增强泛表达的染色质修饰酶的活性,引起组织和细胞特异性的大范围染色质修饰,而类似因子的异位激活则可导致NMC中线癌等癌症的发生。

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精子发生过程中雄性基因组最终致密化之前总组蛋白高乙酰化机制


Nat Commun:四川大学团队蛋白组学研究揭示精子鞭毛发育的潜在机制


精子缺陷是男性不育的直接原因,包括精子数量减少、能动性降低和形态异常。研究表明超过80 %的男性不育是由精子能动性受损引起的,而精子形态对精子移动起了至关重要的作用。精子鞭毛的多形态异常(MMAF)包括卷曲、弯曲、不规则、短或/和缺失以及超微结构缺陷。这些因素能导致精子形态异常和活力降低。


2019年1月25日,四川大学华西附二院研究团队在国际知名期刊Nature Communications上在线发表文章,揭示QRICH2是精子鞭毛形成过程中的重要调控分子,能够调节与鞭毛附属结构相关的基因的表达,QRICH2的功能缺失突变能造成MMAF并引起男性不育。

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研究者在2个近亲结婚家系中,发现2名精子鞭毛多发形态异常(MMAF)的不育患者,经过全外显子组测序和分析,发现两名患者均存在QRICH2基因的纯合无义突变。随后研究者利用基因敲除技术,构建了Qrich2基因的KO小鼠,发现Qrich2 KO小鼠表现出MMAF表型, 证明QRICH2为MMAF新的致病基因。同时通过TMT定量蛋白质组学方法并结合功能实验,证实QRICH2能够稳定并上调与精子鞭毛结构发育相关的蛋白,揭示其在精子鞭毛形成过程中的重要作用。QRICH2有害突变的筛选对于男性不育的临床分子诊断具有重要意义。


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ORICH2在精子鞭毛发育过程中的调控机制



生殖及相关疾病


Nature:卵巢癌及附近基质的大队列蛋白质组学分析


卵巢癌(Ovarian Cancer)恶性程度高、预后差,其发病率仅次于宫颈癌和子宫内膜癌,居于女性生殖系统恶性肿瘤第三位。近年来已有部分高质量的文章从蛋白质组学角度,对大队列卵巢癌患者进行蛋白水平或修饰水平进行整体研究,就其预后差,耐药性强等特点找到一些端倪。如:2016年在Cell主刊上报道的大规模卵巢癌蛋白基因组学与磷酸化修饰组学研究,发现卵巢癌在蛋白或磷酸化水平的分型规律,且蛋白磷酸化水平与病人预后生存期有显著相关性;2018年Cell主刊报道了马克思普朗克生物化学研究所研究者对晚期高级别浆液性卵巢癌(HGSC)肿瘤样本的蛋白质组学研究,发现了CT45的表达与卵巢癌患者化学耐药性存在明显相关。


随着对卵巢瘤研究的日益加深,研究者逐渐将卵巢癌转移成因的研究目光转移到卵巢癌以及其附近基质微环境的关系上来。2019年5月,来自芝加哥大学的Ernst Lengyel研究组与德国马普所Matthias Mann组等合作在Nature主刊报道了关于卵巢癌以及卵巢癌附近基质的大队列蛋白质组学研究工作。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


研究者利用显微切割技术配合微量蛋白质组学的方法,对来自11名HGSC患者的组织样本进行显微切割后获得的107个微量样品(包括浆液性输卵管原位肿瘤,侵袭性输卵管病变,浸润性卵巢病变和网膜转移四种肿瘤或基质样品)(样本策略)进行Label-free蛋白质组学分析(质谱策略),实现了研究者对肿瘤迁移中肿瘤基质关键调控机制的筛选与发掘。随后研究者进一步利用蛋白质组学的大数据,结合已有的或预期的肿瘤调控猜想,成功发现了NNMT作为基质细胞对肿瘤转移的关键调控靶点。




探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

图1 卵巢癌的蛋白质组学研究策略




MCP:蛋白组学揭示TIGAR蛋白在肥胖影响生殖的关键作用




肥胖对女性怀孕和生育有非常重要的影响,不仅会增加不育的风险,也与流产、后代先天性异常的风险增加有关。另外,肥胖还会损害受孕辅助技术的怀孕率。因此,对肥胖的认知显得格外重要。2018年5月,南京医科大学生殖医学国家重点实验室王强教授课题组在蛋白质组学专业学术期刊Molecular & Cellular Proteomics上发表研究结果,揭示了TIGAR蛋白在肥胖影响生殖的关键作用。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


研究者通过基于质谱的蛋白质组学定量分析肥胖小鼠与正常小鼠卵母细胞中的蛋白组差异,发现肥胖小鼠成熟卵母细胞中TIGAR蛋白的显著减少,使用体外敲低和过表达测定进一步研究了TIGAR在小鼠卵母细胞成熟过程中的作用。值得注意的是,在高脂饮食小鼠中强制表达TIGAR,不仅可以降低ROS水平,保护肥胖小鼠的卵母细胞免受氧化应激,还能部分防止纺锤体解体和染色体错位,减数分裂缺陷。研究揭示了TIGAR蛋白对抗肥胖的重要意义:高表达TIGAR可以保护肥胖小鼠的卵母细胞免受氧化应激和减数分裂缺陷,减少肥胖的负面影响。


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对照组和高脂饮食小鼠卵母细胞蛋白组学分析


Cell Reports:衣原体诱导发生上皮间质转化,打开宿主免疫“防火墙”


沙眼衣原体(Chlamydia trachomatis,Ctr)是一系列传染病的病原体,与子宫颈癌和卵巢癌直接或间接相关,它可以作为人乳头瘤病毒HPV感染的辅助因子,与宿主之间具有非常复杂的相互作用关系。2019年1月,来自德国马克斯普朗克感染生物学研究所的研究人员在国际专业学术期刊Cell Reports杂志上发文,运用磷酸化修饰组学和转录组学揭示Ctr如何诱导宿主细胞发生上皮间质转化,从而打开免疫“防火墙”的分子机制。




探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

病原菌和宿主之间的识别从本质上讲是蛋白质之间的相互作用,研究通过磷酸化修饰组学和转录组学联合分析,揭示了Ctr诱导的宿主细胞信号通路改变的复杂性及其对细胞功能的影响。研究结果全面的展示了宿主细胞总成分及核成分中Ctr应答性激酶网络,从结果中鉴定了受调控的ERKMAPK的底物TFs的磷酸化水平,同时证明了ETS1ERFEMT表型形成中的作用。本研究结果揭示了更大范围的Ctr调控的信号传导,为Ctr致病过程以及其他人类生殖道感染提供新的见解。


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衣原体诱导宿主细胞的上皮-间充质转化




胚胎发育调控



哺乳动物胚胎发育是一个受到严密控制的过程,单个受精卵通过这一过程生成大量功能迥异的细胞。表观遗传学修饰可以在不改变DNA序列的情况下调控基因的活性,对于人类发育和人类疾病有深远的意义。


Nature综述:哈佛医学院施扬组综述组蛋白甲基化在动物发育中的作用和调节


发育期间组蛋白甲基化是高度动态的。早期胚胎系统显示出独特的组蛋白甲基化模式,这确保在每种组织类型中表达适当的基因。研究甲基化对胚胎干细胞多能性和分化的影响有助于阐明组蛋白甲基化的发育作用。2019年7月2日,哈佛医学院施扬及Ashwini Jambhekar共同通讯在Nature Reviews Molecular Cell Biology 在线发表综述,系统介绍了组蛋白甲基化在动物发育中的作用和调节机制。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


在文章中,研究者讨论了组蛋白甲基化对基因活性的影响以及在发育过程中调节组蛋白甲基化的因子。综述了组蛋白甲基化调节蛋白对胚胎发生不同阶段的总体影响及其在促进特定器官系统发育中的作用;另外还介绍了组蛋白甲基化如何影响基因组印记和HOX基因的调控;并讨论了不同组蛋白甲基化调节蛋白在促进多能性维持和驱动分化中的作用。最后,讨论了由组蛋白甲基化调节因子突变引起的人类遗传性疾病,这进一步揭示了组蛋白甲基化在生物体发育中的关键作用。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

由组蛋白甲基化调节的发育过程


Nat Chem Biol:蛋白质组学鉴定调控果蝇发育的O-GlcNAc修饰蛋白


O-GlcNAc是核蛋白、细胞质蛋白上广泛存在的可逆糖基化修饰,该修饰主要发生在蛋白质丝氨酸、苏氨酸残基,参与胚胎早期发育的调控。2017年,著名学术期刊Nature Chemical Biology发表了运用蛋白质组学鉴定果蝇胚胎发育时期O-GlcNAc糖基化蛋白质。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


研究者首先建立了一种简单的O-GlcNAc糖基化亲和富集手段,从而实现了对果蝇胚胎O-GlcNAc糖基化蛋白修饰组分析,质谱鉴定到了3558种蛋白。对这些蛋白进行分类分析,约14%为核酸结合蛋白,大多数参与RNA运输与加工。并鉴定到Gug、mop等多种OGT糖基化底物蛋白,表明蛋白糖基化参与调控胚胎发育时期的重要过程。同时质谱也鉴定到参与泛素化蛋白酶体、DNA复制、细胞凋亡等途径的蛋白,有趣的是很多参与蛋白也和亨廷顿疾病以及帕金森综合症发病机理相关。而且后续的遗传实验表明,一些蛋白OGT糖基化和果蝇发育有关,修饰位点突变后会导致果蝇发育异常 。


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果蝇胚胎O-GlcNAc糖基化蛋白大多数参与RNA运输与加工


Genome Res:首次揭示果蝇发育过程中蛋白质的动态变化


果蝇是经典的模式生物,目前针对果蝇发育的高通量基因表达研究主要集中在mRNA转录组水平,另一方面,mRNA与蛋白质的弱相关性已经在酵母、线虫、小鼠中被证实,因此直接分析果蝇生命周期各阶段的蛋白质表达谱有助于我们深入研究目标基因的功能以及发育的时空调控机制。2017年,国际著名期刊Genome Research的文章发文,首次对果蝇变态发育各个阶段进行了高通量蛋白质组学研究,分析了不同阶段蛋白表达谱的共性和特异性。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期


研究者通过高通量蛋白组学技术,对果蝇生命周期的15个时间节点进行了分析,总共鉴定到7952个蛋白。通过进一步的筛选,发现其中有~1400个蛋白在果蝇的生命周期表达量基本稳定(例如微管蛋白、肌动蛋白、热激蛋白等),~2000个蛋白的表达量发生了显著改变,暗示其与发育的时空特异性相关。 值得一提的是,该研究再一次证明了mRNA和蛋白质表达水平的弱相关性。蛋白质组数据不仅仅是对基因组、转录组数据的完善,更是对系统生物学框架下研究基因表达、调控和功能具有直接的指导意义。


探索生命奥秘,生殖生物学与蛋白质组学的莫逆之交【景杰精选】第01期

果蝇生命周期的15个时间节点


以上即为今天的精选分享,在生殖生物学领域,蛋白组学、修饰组学,以及包括组蛋白修饰在内的表观遗传学是强有力的研究方法,感兴趣的老师,可点击公众号主页上的文章搜索,输入您感兴趣的关键词(如生殖)了解更多案例,或在文底留言交流


参考文献

Shumeng Liu, et al., 2017, Chromodomain protein CDYL acts as a crotonyl-CoA hydratase to regulate histone crotonylation and spermatogenesis. Molecular cell.

Shiota H, et al., 2018, Nut Directs p300-Dependent, Genome-Wide H4 Hyperacetylation in Male GermCells. Cell Rep.

Ying Shen, et al., 2019, Loss-of-function mutations in QRICH2 cause male infertility with multiple morphological abnormalities of the sperm flagella. Nature Communications.

Eckert MA, et al., 2019, Proteomics reveals NNMT as a master metabolic regulator of cancer-associated fibroblasts. Nature.

Haichao Wang, et al., 2018, Loss of TIGAR induces oxidative stress and meiotic defects in oocytes from obese mice. Molecular & Cellular Proteomics.

Zadora, P. K., et al., 2019, Integrated Phosphoproteome and Transcriptome Analysis Reveals Chlamydia-Induced Epithelial-to-Mesenchymal Transition in Host Cells. Cell Reports.

Ashwini Jambhekar, et al., 2019, Roles and regulation of histone methylation in animal development. Nature Reviews Molecular Cell Biology.

Selvan, N. et al., 2017, A mutant O-GlcNAcase enriches Drosophila developmental regulators. Nat Chem Biol .

Casas-Vila, et al., 2017, The developmental proteome of Drosophila melanogaster. Genome Res.


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