卵母細胞是哺乳動物體內(nèi)最大的細胞，其 獨特的 生長 模式 依賴 于 發(fā)育過程中染色質轉錄大量的 mRNA 以合成大量的蛋白質。生長期卵母細胞的染色質 呈現(xiàn)非包繞核仁（ non-surrounded nucleolus ，NSN）的構 象 ：染色質彌散且相對均勻分布在細胞核內(nèi)，具有高轉錄活性。隨著卵母細胞完成生長，其染色質會變得緊湊并轉變成包繞核仁（ surrounded nucleolus ，SN）的構 象 ， 該過程 伴隨著轉錄沉默的發(fā)生。自上世紀七十年代 初 科學家首次觀察到卵母細胞 具 有這兩種染色質構 象后（圖1），已有一系列的研究證明 SN 型卵母細胞的發(fā)育潛能比 NSN 型 的 高，并嘗試 通過 多組學技術 比較發(fā)現(xiàn)其 中的 分子差異。然而， 干預 這些過往被報道的差異分子 并不能 在卵母細胞里 實現(xiàn)染色質構 象 的 實時 轉換，因此 NSN 向 SN 轉變?nèi)绾伟l(fā)生 這一關鍵問題 亟待 闡明 。 攻克 其中的分子機制 對 于 實現(xiàn) 卵母細胞染色質成熟的體 外誘導至關重要，對 解決 臨床上卵子成熟障礙、 IVM 周期等 NSN 型易發(fā) 的 情況有重要 影響 。

圖 1 哺乳動物卵母細胞 的兩種染色質構象

2025 年 12 月 12 日，北京生命科學研究所 / 清華大學生物醫(yī)學交叉研究院蘇俊實驗室在 Nature Communications 雜志發(fā)表了題為

Natural degradation of RNA polymerase II is essential for oocyte chromatin reorganization and maternal-to-zygotic transition

通過分選不同染色質構象的卵母細胞并進行高分辨成像， 研究人員 首先系統(tǒng)比較 了 NSN 型和 SN 型卵母細胞 中 大概 30 種不同核蛋白的染色強度與分布 ， 發(fā)現(xiàn)大多數(shù)核蛋白 在 SN 型卵母細胞里被下調。 為篩選 能 驅動 NSN 向 SN 轉變的關鍵核蛋白，研究人員采用小分子抑制劑與 mRNA 過表達的手段來模擬 NSN 向 SN 轉變過程中不同蛋白的變化，意外發(fā)現(xiàn)一種名為放線菌素D（ActD） 的化學小分子可以瞬時誘導 NSN 向 SN 轉變。

ActD 是一種 DNA 嵌入劑，可以同時抑制 RNA 聚合酶 I 和 II 。 利用特異的 RNA 聚合酶 I 和 II 抑制劑，研究人員發(fā)現(xiàn)只有 RNA 聚合酶 II （ RNAPII ）的抑制劑 α- 鵝膏蕈堿（ α-amanitin ）和 雷公藤內(nèi)酯（ Triptolide ）可以誘導 NSN 向 SN 轉變。通過進一步 的 表觀遺傳、高通量染色質構象捕獲和卵子發(fā)育潛能等測試，確認了 經(jīng) α-amanitin 誘導出來的 和自然的 SN 型卵母細胞高度相似。 RNAPII 是 mRNA 轉錄的關鍵酶。為了明確 NSN 向 SN 轉變是否直接由轉錄沉默所介導，研究人員采用了 另一類 RNAPII 抑制劑 核苷類似物 直接終止 其 轉錄 活動 。有趣的是，核苷類似物可以有效的抑制轉錄但未能誘導 NSN 向 SN 轉變，說明 α-amanitin 和 triptolide 經(jīng)其他途徑介導 NSN 向 SN 轉變。經(jīng)過一系列的排查，研究人員 最終 發(fā)現(xiàn) α-amanitin 和 triptolide 實際上并不直接抑制轉錄，而是通過降解 RNAPII 而 發(fā)揮其作用。

要證明 NSN 向 SN 轉變與內(nèi)源 RNAPII 的蛋白 水平 相關，需要在卵母細胞里敲除 或敲降 RNAPII ?？墒?RNAPII 是細胞里的必需基因，無法通過遺傳學手段獲得 RNAPII 敲除的卵母細胞。為此，研究人員 革新了 2017 年發(fā)表的 Trim-Away 急性蛋白去除技術，通過把 單鏈抗體與 Trim21 E3 泛素化酶的 RING 結構 域融合開發(fā)出了 miniTrim-Away 技術 ， 克服 了 原技術不能靶向 長期滯留在核內(nèi)的蛋白的痛點。通過 RNAPII 的 miniTrim -Away ，研究人員成功在小鼠和人卵母細胞 里 瞬時降解內(nèi)源 RNAPII 并確立 其 降解驅動 NSN 向 SN 轉變（圖2）。 進一步的體內(nèi)實驗亦發(fā)現(xiàn)NSN向SN轉變與RNAPII的天然降解有關，利用解折疊酶和蛋白酶體抑制劑可以在離體卵泡培養(yǎng)模型中阻止NSN向SN轉變的發(fā)生。

圖 2 利用新開發(fā)的 miniTrim -Away 技術 降解內(nèi)源 RNAPII 并重現(xiàn) NSN 向 SN 轉變 的表型

為了深入解析 RNAPII 降解如何驅動 NSN 向 SN 轉變，研究人員通過超分辨成像 、 CUT&Tag 和 磷酸酶 抑制劑處理 發(fā)現(xiàn)轉錄活躍的 磷酸化 RNAPII 會積累在 染色質 （尤其 是 在轉錄活躍的轉錄起點和轉錄終點后 10kb 的區(qū)域） 并參與 NSN 向 SN 的 轉變 ，而不活躍的非磷酸化 RNA P II 會游離在核質。 因此，研究人員 提出假設：磷酸化RNAPII的結合約束了染色質動態(tài)，繼而把染色質鎖在了彌散的NSN構象。利用 高速活細胞成像 和 均方位移 分析 ， 研究人員 發(fā)現(xiàn) NSN 型染色質 的動態(tài) 的確 比 SN 型的低。 進一步， 研究人員通過過表達組蛋白 H2B 和錨定染色質到核膜 上 這兩種不同限制染色質動態(tài)的方法， 在功能層面上證明了 約束染色質的動態(tài) 可以阻止 NSN 向 SN 轉變 時旁染色質的凝聚。意外的是，這兩種干預并不影響核仁 邊 染色質的凝聚，說 明在 RNAPII 降解的過程中 有兩種不同的作用力驅動 NSN 向 SN 轉變 ：一種是染色質動態(tài)恢復所產(chǎn)生的塌陷力，而另一種可能是與核仁表面有關的吸引力。通過 向 核 內(nèi) 注射核仁大小的無生物活性油滴和利用沒有核仁的 Npm2 條件敲除小鼠，研究人員最終發(fā)現(xiàn) RNAPII 的降解同時會引發(fā)核仁表面蛋白的重塑，并提出 哺乳動物卵母細胞染色質 從 NSN 向 SN 轉變的完整模型（圖3）。

圖 3 本研究提出的 哺乳動物卵母細胞染色質 成熟 的 機制

綜上，本研究首次揭示卵母細胞染色質成熟的機制：生長過程中，RNAPII會經(jīng)非經(jīng)典的非泛素化依賴途徑逐漸被降解。隨著 RNAPII 從染色質上被 剝離 ，轉錄 終止 的同時會增加 染色質動態(tài) 和 引 發(fā) 核仁表面 重塑 ， 繼而產(chǎn)生兩種不同的作用力驅動 NSN 向 SN 轉變。 若 該過程 受阻， 受精卵的 RNAPII 蛋白 水平和定位 會出現(xiàn) 異常， 影響 母源 向 合子 轉變和后期早期胚胎發(fā)育 。

蘇俊實驗室的博士生王靜為該論文的第一作者。北京生命科學研究所 / 清華大學生物醫(yī)學交叉研究院蘇俊研究員、黎斌研究員和 中南大學基礎醫(yī)學院 / 中信湘雅生殖與遺傳?？漆t(yī)院 林戈教授為本文的共同通訊作者。論文的其他作者包括黎斌實驗室的李網(wǎng)、中南大學基礎醫(yī)學院 / 中信湘雅 生殖與遺傳?？漆t(yī)院郭靜副教授和北京家園醫(yī)院徐小明博士在多組學數(shù)據(jù)分析和人卵母細胞的募集做出了貢獻。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67476-z

制版人： 十一

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