莫顯紅,郭 成,趙 冰,李 冰,徐振軍
(赤峰學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)
真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,由細(xì)胞核DNA 與組蛋白結(jié)合形成的核小體為基本組成單位;以各兩分子的核心組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)構(gòu)成的八聚體為核心顆粒,DNA 分子超螺旋盤旋在此核心顆粒表面形成核小體;兩個相鄰核小體之間以連接體DNA(linker DNA)相連。另一種組蛋白即連接組蛋白H1(linker histone,H1)與連接體DNA 結(jié)合,構(gòu)成念珠狀結(jié)構(gòu),對于維持染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)及參與調(diào)節(jié)基因表達(dá)具有重要作用[1]。
過去,對核小體結(jié)構(gòu)功能的研究主要集中于核心組蛋白成分研究,但連接組蛋白各亞型在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)功能變化中的作用也不容忽視。至今在哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)11種H1亞型。研究顯示,一種卵母細(xì)胞特異性連接組蛋白(oocyte-specific linker histone,H1foo),對卵子及早期胚胎發(fā)育具有重要作用,因而成為一種衡量卵子質(zhì)量和發(fā)育潛能的標(biāo)志基因[2],并將其作為調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性及維持染色體高級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因子[3]。近年來,對H1foo 在卵母細(xì)胞成熟、精子染色質(zhì)重構(gòu)、早期胚胎發(fā)育、核移植后體細(xì)胞核重編程等過程中的作用進(jìn)行大量研究,文章針對上述內(nèi)容做一綜述,以便為研究者了解卵子及胚胎發(fā)育的機(jī)制提供借鑒和參考。
目前在哺乳動物的細(xì)胞中共發(fā)現(xiàn)7 種體細(xì)胞型連接組蛋白、3種睪丸特異型連接組蛋白、1種卵子特異表達(dá)連接組蛋白H1foo。H1foo最初是在小鼠卵巢中發(fā)現(xiàn)的一種卵泡卵母細(xì)胞特異表達(dá)的連接組蛋白,曾命名為H1oo。而在一些非哺乳動物細(xì)胞中同樣存在著卵特異表達(dá)的連接組蛋白,如海膽卵裂期組蛋白(cleavage-stage histone1,cs-H1)是海膽卵、合子及2-細(xì)胞胚胎之前唯一的連接組蛋白存在形式。相似地,在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中早期表達(dá)的H1M(B4)蛋白作為主要的連接組蛋白與DNA結(jié)合[4]。這些卵特異表達(dá)的連接組蛋白在胚胎基因組激活后,逐漸被體細(xì)胞型連接組蛋白所取代。研究發(fā)現(xiàn),哺乳動物卵特異性連接組蛋白H1foo與cs-H1及H1M(B4)具有同源性[5],說明從原生動物到哺乳動物,H1保守存在。
2001 年,M.Tanaka 等[5]首次采用抑制消減雜交方法獲得長1.2 kb 的cDNA 片段,包含912 個開放閱讀框,編碼304 個氨基酸,為相對分子質(zhì)量34 kDa 的連接組蛋白,暫時命名為H1oo。2005年,M.Tanaka 等[6]又分別通過比對小鼠的基因組數(shù)據(jù)庫及采用熒光原位雜交技術(shù),分析得到小鼠的H1foo為單拷貝基因,由5 個外顯子和4 個內(nèi)含子組成,基因長度為5 301 bp,位于6號染色體上。此外,M.Tanaka 運用BLAST 技術(shù)進(jìn)行氨基酸和蛋白質(zhì)序列比對分析表明:H1oo 與H1M(B4)和cs-H1 的中央球形結(jié)構(gòu)域的同源序列分別為54%和52%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),H1foo通過可變剪接形成了H1fooα和H1fooβ兩種轉(zhuǎn)錄本。兩者之間區(qū)別在于H1foo β的C 末端插入了G、T、A、G 4 個堿基,引起閱讀框改變,翻譯提前終止,僅形成了一個含有246 個氨基酸殘基的蛋白。雖然兩種轉(zhuǎn)錄本在卵子及早期胚胎中均有表達(dá),但H1foo β的表達(dá)量遠(yuǎn)低于H1foo α亞型。因此,H1foo α亞型即為H1foo轉(zhuǎn)錄后的mRNA。
隨后,研究者分別在人、牛中也發(fā)現(xiàn)了卵特異性連接組蛋白,與小鼠H1foo基因同源。對3 個物種之間的H1foo同源性及保守的中央球形結(jié)構(gòu)域進(jìn)行氨基酸序列分析發(fā)現(xiàn),三者之間具有較高的同源性,并且中央球形結(jié)構(gòu)域的氨基酸同源序列高達(dá)71.4%[7]。
H1foo與體細(xì)胞型H1具有以下區(qū)別:基因的位置不同(小鼠和人的H1foo基因分別位于6 號染色體和3號染色體上,而體細(xì)胞型H1則位于13號染色體上);內(nèi)含子的基因結(jié)構(gòu)不同,在小鼠H1foo基因第4 內(nèi)含子處具有3 個A、G、G、T 重復(fù)區(qū)域;H1foo大多具有多聚腺嘌呤尾,而H1則不具有此結(jié)構(gòu)。
H1foo 是在哺乳動物卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一種特異性連接組蛋白,因此,H1foo 被認(rèn)為是與卵泡生長、卵子成熟以及早期胚胎發(fā)育相關(guān)的主要H1組蛋白。目前,已有部分研究對哺乳動物卵母細(xì)胞和早期胚胎中H1foo 的表達(dá)變化模式進(jìn)行了觀察。
2004 年,Gao S. R.等[3]采用免疫熒光染色技術(shù),最早在出生第8 天的小鼠原始卵泡中檢測到H1foo的存在。進(jìn)一步通過免疫熒光染色技術(shù),在生發(fā)泡期(germinal vesicle,GV)卵母細(xì)胞、發(fā)生MⅡ阻滯(MⅡ-arrested)的卵母細(xì)胞、極體及合子期的雌雄原核中均可檢測到H1foo的熒光信號,至2-細(xì)胞胚胎時此熒光信號開始減弱,最終在4-細(xì)胞胚胎期完全消失。而體細(xì)胞型H1 的表達(dá)模式與H1foo在不同細(xì)胞中的表達(dá)模式恰好相反,表明隨著胚胎的不斷發(fā)育,由母源基因控制逐漸向胚胎基因控制轉(zhuǎn)變(即中囊胚轉(zhuǎn)換期),胚胎基因組激活,母源H1foo 最終由體細(xì)胞型H1 取代。在牛上,通過定量RT-PCR 技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn),在牛GV期卵母細(xì)胞中H1foomRNA的表達(dá)量最高,而在整個胚胎發(fā)育過程中,H1foomRNA 的表達(dá)量逐漸降低,至8~16-細(xì)胞時幾乎不表達(dá),牛的8~16-細(xì)胞正是中囊胚轉(zhuǎn)換期,此時母源H1foo被體細(xì)胞型H1所取代[7]。
M.Tanaka等[6]采用原位雜交技術(shù)對小鼠不同發(fā)育時期的卵泡進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在原始卵泡中H1foo 的雜交信號較弱,隨著卵泡的不斷發(fā)育,在初級卵泡、次級卵泡及排卵前卵泡卵母細(xì)胞中均檢測到較強(qiáng)的H1foo 雜交信號,表明卵泡中H1foo募集和表達(dá)可能對促進(jìn)卵母細(xì)胞的成熟具有重要作用。2013 年,袁蘇婭[8]在研究產(chǎn)后小鼠不同發(fā)育階段卵巢中H1foo的表達(dá)規(guī)律時發(fā)現(xiàn),在各個時期的卵泡細(xì)胞和卵母細(xì)胞中均可檢測到H1foomRNA 的轉(zhuǎn)錄物,隨著卵泡的不斷發(fā)育其轉(zhuǎn)錄量不斷增加,且H1foo的免疫陽性反應(yīng)物主要分布在卵母細(xì)胞的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之中。而在近成熟卵泡中,H1foo免疫陽性反應(yīng)物除了在卵泡細(xì)胞和卵母細(xì)胞中可檢測到外,在卵泡液中也可檢測到;且H1foo的定位不僅僅局限于卵母細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中,在卵泡液及靠近卵泡腔的顆粒細(xì)胞也有明顯的表達(dá),說明卵母細(xì)胞可借助細(xì)胞間連接與周圍的顆粒細(xì)胞進(jìn)行信息及物質(zhì)的交換,以促進(jìn)卵泡發(fā)育及卵母細(xì)胞成熟。采用免疫組化染色方法分析人的卵巢組織樣本時發(fā)現(xiàn),從原始卵泡到成熟卵泡任何階段的卵母細(xì)胞中均有hH1foo(人卵子特異性連接組蛋白H1foo)陽性信號,其陽性信號不僅在細(xì)胞核中高度凝集,而且在細(xì)胞質(zhì)中也有分布,這與小鼠上H1foo的分布結(jié)果一致[9]。在研究H1foo 在豬卵巢上的分布時發(fā)現(xiàn),H1foo 主要分布在卵原細(xì)胞及凋亡的卵原細(xì)胞的胞質(zhì)和不同發(fā)育階段的卵泡及閉鎖卵泡的卵泡液中,而在卵泡顆粒細(xì)胞也可檢測到H1foo的陽性信號。并且,隨著卵泡發(fā)育,在胞質(zhì)和顆粒細(xì)胞中H1foo的陽性信號逐漸增強(qiáng)。因此推測在卵泡發(fā)育過程中,顆粒細(xì)胞通過H1foo 信號影響卵母細(xì)胞的發(fā)育[10]。同樣,在體外培養(yǎng)牛的次級卵泡和有腔卵泡的研究中進(jìn)一步證明,卵泡的生長發(fā)育與卵母細(xì)胞中相關(guān)基因的表達(dá)增加有關(guān),H1foo基因是其中之一[11]。而在此后體外培養(yǎng)豬卵巢顆粒細(xì)胞的研究中,采用微陣列技術(shù)對顆粒細(xì)胞進(jìn)行全基因組檢測,在133個差異表達(dá)的基因中,H1foo卻位列下調(diào)組,筆者分析可能是因為在顆粒細(xì)胞培養(yǎng)過程中沒有卵母細(xì)胞的存在。卵巢是該基因表達(dá)和發(fā)揮功能的唯一部位,與卵巢之間的這種密切聯(lián)系可能使其成為體外遺傳標(biāo)記基因[12]。
H1foo是一類與卵母細(xì)胞及早期胚胎發(fā)育密切相關(guān)的關(guān)鍵基因,其功能涉及轉(zhuǎn)錄控制、核重構(gòu)、表觀遺傳修飾等,貫穿卵母細(xì)胞從原始卵泡到成熟卵泡、從GV向MⅡ發(fā)育成熟及受精后早期胚胎發(fā)育的全過程,被認(rèn)為是這一過程中起主導(dǎo)作用的H1組蛋白。
有研究表明,卵泡中H1foo募集和表達(dá)對促進(jìn)鼠卵母細(xì)胞的成熟具有重要作用[5]。M. Furuya等[13]在小鼠GV 期卵母細(xì)胞中注射反義嗎啉代寡核苷酸(antisense MO)和對照嗎啉代寡核苷酸(Control MO),經(jīng)免疫熒光染色技術(shù)和Western-blot方法證實,注射antisense MO組H1foo的表達(dá)降低。然后將注射后的GV期卵母細(xì)胞體外成熟培養(yǎng),經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),注射antisense MO 組與注射Control MO 組相比,第一極體排出率差異顯著(33.1%vs. 81.1%),大部分阻滯在第一次減數(shù)分裂中期(metaphase Ⅰ,MⅠ)。為進(jìn)一步證實H1foo 在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中的作用,在注射antisense MO 的同時聯(lián)合注射外源H1foomRNA,結(jié)果發(fā)現(xiàn)卵母細(xì)胞的成熟率顯著提高。通過以上試驗證實,H1foo在小鼠卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中是必不可少的因素。
在牛上,S.McGraw 等[7]采用免疫組織化學(xué)技術(shù)檢測H1foo的分布,發(fā)現(xiàn)H1foo在GV、MⅡ、1-細(xì)胞、2-細(xì)胞和4-細(xì)胞的細(xì)胞核中高度凝集,在胞質(zhì)中均勻分布。而胚胎發(fā)育到8~16-細(xì)胞時,H1foo在細(xì)胞核中的表達(dá)信號仍然很強(qiáng),但在胞質(zhì)中不再表達(dá)。根據(jù)H1foo的分布位置,表明在胚胎基因組激活之前,H1foo 不僅參與調(diào)節(jié)染色質(zhì)構(gòu)象,還可能參與卵子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育過程中基因的激活或抑制。Yun Y.等[14]分別通過siRNA 技術(shù)和注射外源H1foomRNA下調(diào)和上調(diào)牛GV期卵母細(xì)胞中H1foo的表達(dá),與對照組相比體外成熟率具有顯著差異(41.2% vs.88.7% vs.71.2%(對照組,P<0.05),并且將修訂的外源H1foocDNA 與siRNA組聯(lián)合注射,成熟效果明顯恢復(fù)。然而與對照組相比,體細(xì)胞型H1e過表達(dá)對牛卵母細(xì)胞的體外成熟效果無影響。綜上結(jié)果表明,H1foo對牛卵母細(xì)胞成熟具有重要作用,且H1foo的過表達(dá)可能通過調(diào)節(jié)成熟促進(jìn)因子的活性而加快減數(shù)分裂進(jìn)程。
Jiao Z.X.等[15]在對比小鼠老齡卵和青年卵發(fā)育潛能的研究中發(fā)現(xiàn),老齡卵的發(fā)育潛能下降,兩者之間母源基因的表達(dá)存在差異,其中H1foo是差異表達(dá)的基因之一。綜合H1foo在卵母細(xì)胞發(fā)育中的作用,越來越多的研究將H1foo作為衡量卵子質(zhì)量和早期胚胎發(fā)育潛能的標(biāo)志物。
2015 年,郎婧雯等[16]研究玻璃化冷凍小鼠卵母細(xì)胞對早期胚胎發(fā)育潛能和卵母細(xì)胞特異性基因表達(dá)的影響時發(fā)現(xiàn),玻璃化冷凍-復(fù)蘇這一過程使卵母細(xì)胞內(nèi)H1foomRNA 及蛋白表達(dá)量顯著下降,且體外受精后2-細(xì)胞胚胎發(fā)育率顯著低于未冷凍組。已知H1foo 主要在小鼠的卵母細(xì)胞至2-細(xì)胞胚胎前發(fā)揮功能,在2-細(xì)胞后期H1foo 逐漸被體細(xì)胞型H1 取代[3]。因此,推測卵母細(xì)胞玻璃化冷凍可能通過降低H1foo的表達(dá),進(jìn)而影響其在受精至2-細(xì)胞胚胎這一發(fā)育過程中的作用發(fā)揮,致使2-細(xì)胞胚胎率下降。
卵子受精后,精卵各自獨立的基因組經(jīng)過一系列復(fù)雜變化,最終形成一個胚胎基因組,控制胚胎發(fā)育。精卵結(jié)合時,精子主要提供一半的遺傳物質(zhì),而受精過程及早期卵裂所需要的物質(zhì)和調(diào)控因子主要來源于卵子。在受精卵形成初期,父源基因和母源基因都處于轉(zhuǎn)錄不活躍狀態(tài),此時胚胎發(fā)育主要依賴于卵子發(fā)生過程中所積累的大量RNA和蛋白質(zhì)。
研究表明,在哺乳動物卵子受精后即刻有H1foo募集到精子染色質(zhì)上,這將有助于父源染色質(zhì)的解聚及核重編程的順利進(jìn)行[17]。例如:在小鼠卵胞質(zhì)單精子注射5 min 后,H1foo 就開始與精子染色質(zhì)上的魚精蛋白發(fā)生置換,改變?nèi)旧|(zhì)構(gòu)象,對胚胎全能性建立起作用。在注射30 min、60 min后,H1foo已在解聚的精子染色質(zhì)中顯著表達(dá)[3]。同樣,在豬的卵母細(xì)胞受精過程中也發(fā)現(xiàn),在精子染色質(zhì)解聚之前H1foo 就已募集到染色質(zhì)上[18]。Y.Mizusawa 等[9]在對胞質(zhì)內(nèi)單精子注射后未受精的33 枚人卵子進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn),其中精子染色質(zhì)凝集且未檢測到hH1foo 陽性信號的占45%;精子染色質(zhì)凝集且有hH1foo 陽性信號的占9%;精子染色質(zhì)解聚且有hH1foo 陽性信號的占45%;無精子染色質(zhì)解聚且未檢測到hH1foo 陽性信號的情況。綜上試驗結(jié)果進(jìn)一步說明,在精子染色質(zhì)解聚之前,H1foo 已經(jīng)進(jìn)入染色質(zhì)中,并且染色質(zhì)解聚過程需要H1foo的參與。同時,這一試驗結(jié)果也為尋找輔助受精失敗的原因提供了有價值的參考。此后,S.Funaya 等[19]通過敲降和過表達(dá)的方法研究H1foo 在調(diào)節(jié)小鼠合子期染色質(zhì)結(jié)構(gòu)中的作用,再次證明H1foo是染色質(zhì)解聚的必要條件。
細(xì)胞核移植技術(shù)主要是用來研究胚胎發(fā)育過程中細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)的功能以及二者間的相互關(guān)系,探討有關(guān)遺傳、發(fā)育和細(xì)胞分化等方面的一些基本理論問題。近年來,因其具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值而備受青睞。自成功獲得克隆羊Dolly 以來,多種動物也陸續(xù)被成功克隆,然而該項技術(shù)仍然存在克隆效率低、流產(chǎn)率和死亡率高等問題,其應(yīng)用潛力受到制約[20]。深入了解供體細(xì)胞核與受體細(xì)胞質(zhì)之間的互作關(guān)系及重構(gòu)胚的發(fā)育,將有助于加深對克隆機(jī)制的認(rèn)識,進(jìn)而提高克隆效率。
體細(xì)胞核移植是將已分化的體細(xì)胞核移入去核的卵母細(xì)胞中,而融合后的重編程能力是非常有限的[21]。研究表明,哺乳動物核移植過程中存在同受精過程相似的組蛋白替換,尤其是H1foo和體細(xì)胞型H1之間的替換,對基因的重編程具有重要作用。
在對小鼠體細(xì)胞核移植后組蛋白間的互換研究中發(fā)現(xiàn),將卵丘細(xì)胞和成肌細(xì)胞的細(xì)胞核移入去核的MⅡ期卵母細(xì)胞中,融合后5 min內(nèi)80%以上的細(xì)胞核中可檢測到H1foo 的熒光信號;30 min后H1foo 的熒光信號增強(qiáng),而體細(xì)胞型H1 熒光強(qiáng)度減弱;1 h后供體細(xì)胞核膜破裂,體細(xì)胞型H1完全被H1foo 替換[3]。T. Teranishi 等[22]以胎兒成纖維細(xì)胞核作為供體核移入小鼠去核的MⅡ期卵母細(xì)胞中,融合后10 min H1foo 即出現(xiàn)在供體核內(nèi);3 h 后,體細(xì)胞型H1 信號微弱。M.Becker 等[23]將胚胎干細(xì)胞核注入去核卵胞質(zhì)中,獲得與上述相似的試驗現(xiàn)象。綜上結(jié)果表明,H1foo不僅能進(jìn)入細(xì)胞核中,而且能夠組裝到染色質(zhì)上發(fā)揮作用,并可能存在H1foo 的胞質(zhì)內(nèi)蓄積或通過母源mRNA翻譯而產(chǎn)生。對比以上3個試驗結(jié)果,僅在融合后H1foo與體細(xì)胞型H1實現(xiàn)完全替換的時間略有不同,這可能與供體核類型有關(guān)。
在整個體細(xì)胞核移植重構(gòu)胚早期發(fā)育過程中,H1foo的熒光信號出現(xiàn)在極體、假雄原核、1-細(xì)胞的細(xì)胞核中,2-細(xì)胞胚胎時,細(xì)胞核中H1foo 熒光信號明顯減弱;至4-細(xì)胞胚胎,熒光信號完全消失,而體細(xì)胞型H1的表達(dá)趨勢與此恰好相反[3,22]。這與受精胚胎早期發(fā)育過程中H1foo 與體細(xì)胞型H1此消彼長的變化趨勢一致,即在小鼠胚胎發(fā)育的中囊胚轉(zhuǎn)化期,H1foo再被體細(xì)胞型H1所替換。
與小鼠核移植后H1foo與體細(xì)胞型H1的替換速度相比,牛的體細(xì)胞型H1 被取代的速度較慢。在融合5 h 后H1foo 進(jìn)入供體核染色質(zhì)中,此時盡管體細(xì)胞型H1 仍有少量存在,但在融合8 h 后體細(xì)胞型H1 仍被H1foo 完全取代,表明在不同物種間,連接組蛋白的轉(zhuǎn)化具有保守性[24]。
同樣,兩棲類動物卵特異性連接組蛋白B4 在體細(xì)胞核移植后的基因重編程中也發(fā)揮重要作用。J.Jullien 等[25]將維甲酸處理的胚胎干細(xì)胞核(多能性基因Sox2和Oct4表達(dá)受到抑制)移植到爪蟾生長的GV期卵母細(xì)胞中,在核植入24 h內(nèi)可被100%重編程,多能性基因表達(dá)重新激活。隨后,通過光漂白熒光恢復(fù)技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)錄重編程之前,體細(xì)胞型H1丟失的同時伴有B4的融入。再通過抗體注射和陰性干擾試驗,進(jìn)一步證明B4與染色質(zhì)的結(jié)合是核重編程的關(guān)鍵過程,是多能性基因重新激活的必要條件。N. Maki 等[26]在研究蠑螈色素上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為晶狀體試驗中首次揭示,蠑螈細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化與體細(xì)胞核移植后核重編程有共同的機(jī)制,B4是轉(zhuǎn)分化過程的必要條件。
隨著H1foo功能的不斷揭示,研究者更應(yīng)關(guān)注尋 找 調(diào) 控 其 表 達(dá) 的 機(jī) 制。C. Maeda 等[27]研 究H1foo的表達(dá)與表觀遺傳修飾的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),在各類細(xì)胞中H1foo 表達(dá)與否與上游差異甲基化區(qū)域(differentially methylated region,T-DMR)的甲基化狀態(tài)直接相關(guān)。此外,H1foo在胚胎干細(xì)胞向擬胚體發(fā)育過程中有阻礙作用。研究表明,H1foo選擇性地與某些多能性基因的低甲基化T-DMR 位點結(jié)合,通過改變?nèi)旧|(zhì)的凝集狀態(tài),最終改變多能基因的甲基化狀態(tài),破壞了胚胎干細(xì)胞的多能性?;贖1foo在表觀遺傳調(diào)控中的作用,作者將H1foo定義為“表觀遺傳調(diào)控因子”[28]。
目前,對H1foo的研究還僅局限于本身的表達(dá)變化及其在各個發(fā)育環(huán)節(jié)中的功能。然而,對調(diào)控H1foo表達(dá)的上游機(jī)制和H1foo影響的下游因子的研究尚缺乏,人為干預(yù)H1foo表達(dá)后的受精率及核移植效率仍不夠理想。若能對H1foo表達(dá)的上下游調(diào)控機(jī)制加以深入研究,或通過構(gòu)建H1foo真核表達(dá)載體pVenus-H1foo,將為探明哺乳動物早期胚胎發(fā)育機(jī)制和克隆機(jī)理提供全新的視角。