猪卵母细胞成熟及早期胚胎发育过程中RNA多聚腺苷酸尾巴变化规律的研究

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真核生物体内的信使核糖核酸(Messenger RNA,m RNA)的末端通常包含多聚腺苷酸[Polyadenylation,poly(A)]尾巴,这些poly(A)尾巴在真核生物m RNA转录后调控的过程中扮演了十分重要的角色,对m RNA的形成、稳定、运输以及翻译起到关键的调控作用。研究表明,除了poly(A)尾巴的长度能够起到调控作用外,poly(A)尾巴中存在的非A碱基修饰(例如鸟苷化修饰和尿苷化修饰)同样对m RNA的稳定性具有调控作用。Poly(A)尾巴图谱是指细胞内所有RNA的多聚腺苷酸尾巴的长度及其碱基的组成。卵母细胞成熟和早期胚胎发育过程是指卵母细胞由生发泡(germinal vesicle,GV)经历生发泡破裂(germinal vesicle breakdown,GVBD),减数第一次分裂中期(Meiosis I,MI),减数第二次分裂中期(Meiosis II,MII),然后通过受精变成合子(zygote)并一直发育至囊胚的过程。该过程最重要的生物学事件是卵母细胞向胚胎转变(oocyte-to-embryo transition,OET),简称卵-胚胎转变。在人和小鼠的卵-胚胎转变过程中,已经证明poly(A)尾巴长度及含有的非A残基发挥着至关重要的作用,但是在其他常见的哺乳动物模型(例如猪和大鼠)的卵-胚胎转变过程中poly(A)尾巴长度和非A残基的作用仍然未被探索。除此之外,不同哺乳动物在卵-胚胎转变过程中母源m RNA动态变化的保守性也是未知的。猪在器官大小和结构、生理学、免疫学、基因组学等方面与人类的相似性使得它们成为比啮齿类动物更受欢迎的人类疾病动物模型,再加上相对较低的繁殖成本以及与人类基因改造的兼容性,近年来,猪已成为人类异种器官移植的首选动物。卵母细胞成熟和早期胚胎发育是生殖生物学、发育生物学的基础,因而研究猪卵-胚胎转变过程中poly(A)尾巴的动态变化规律,将有助于揭示猪物种特异的发育机制,对以猪为基础的疾病模型构建及异种器官再造等再生医学领域具有重要的指导意义。本论文借助能够检测包括poly(A)尾巴在内的全长转录本的微量样本兼容的测序技术poly(A)inclusive RNA isoform sequencing(PAIso-seq),构建了猪和大鼠不同阶段卵母细胞以及早期胚胎的poly(A)尾巴图谱。通过系统地生物信息学分析,我们首次揭示了猪和大鼠卵-胚胎转变过程中poly(A)尾巴的动态变化规律。具体研究结果如下:(1)我们发现在猪和大鼠卵-胚胎转变过程中母源m RNA poly(A)尾巴的长度呈现出先下降后上升的趋势,具体表现为在卵母细胞成熟过程中平均长度逐渐缩短,然后在受精之后平均长度逐渐上升,表明母源m RNA在猪卵-胚胎转变过程中先发生广泛的去腺苷酸化,然后在受精后发生广泛地重新聚腺苷酸化。(2)我们发现在猪和大鼠的卵-胚胎转变过程中母源m RNA的poly(A)尾巴中非A残基的比例呈现出先升高后下降的趋势,具体表现为在卵母细胞成熟过程中平均含量逐渐升高,在受精后平均含量逐渐下降,与母源m RNA的poly(A)尾巴长度变化刚好相反。(3)在猪和大鼠的卵-胚胎转变过程中母源m RNA的poly(A)尾巴中的非A残基的含量要远高于合子基因激活(zygotic genome activation,ZGA)的m RNA,说明poly(A)尾巴中的非A碱基对于母源m RNA的代谢起到了关键作用。(4)在非A残基中U残基的含量最高,C和G残基的含量相对较低,并且在合子基因激活过程中poly(A)尾巴中含有U残基的母源m RNA的降解速度更快,说明母源m RNA的poly(A)尾巴中掺入U碱基的一个作用是促进母源m RNA的快速降解。(5)母源m RNA去腺苷酸化在小鼠和大鼠的孤雌胚胎中是不正常的,说明在没有雄性参与的情况下,母源m RNA的降解受到了一定程度的影响,揭示了孤雌胚胎的一个缺陷。(6)抑制合子基因激活会导致小鼠和人类胚胎中母源m RNA去腺苷酸化受阻,说明合子基因激活产物对于加速母源m RNA的降解起到一定的作用。综上所述,我们描绘了在猪和大鼠的卵-胚胎转变过程中poly(A)尾巴长度及非A碱基含量的保守的动态变化规律,揭示了在进化上高度保守的母源m RNA转录后调控机制,为进一步研究猪卵母细胞成熟及早期胚胎发育过程中的分子机制提供了新的见解,有助于推动以猪为基础的医学模型构建及器官再造等再生医学领域的发展。
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