水生所揭示胆固醇代谢调控鱼类卵子质量和胚外组织发育的新机制
作为卵生动物，鱼类早期胚胎发育过程中产生一类从卵裂期到幼苗期暂时存在的胚外组织（extraembryonic tissue），如卵黄合包层（yolk syncytial layer，YSL），其对于中内胚层的形成和外包运动至关重要。然而，胚外组织的发育命运是如何被调控的，以及胚外组织中是否存在独立于胚胎组织的合子基因激活（zygotic genome activation，ZGA）程序，尚未可知。
近年来，国际上多个团队利用斑马鱼模型开展研究，发现母源因子Nanog在早期胚胎发育和合子基因激活过程中扮演至关重要的角色。如耶鲁大学Giraldez团队发现Nanog可以与Pou5f3、Sox19b等先锋因子互作，促进胚胎细胞ZGA的启动（Lee et al., Nature 2013; Miao et al., Mol Cell 2022），哈佛儿童医院Zon团队发现Nanog可以通过激活mxtx2-Nodal轴促进中内胚层发育（Xu et al., Dev Cell 2012），哈佛大学/瑞士巴塞尔大学Schier团队的研究则显示Nanog的功能主要表现于调控胚外组织的发育（Gagnon et al., Development 2018）。然而，Nanog是如何调控胚外组织发育，以及如何协调统一Nanog调控胚胎组织和胚外组织发育的关系，其背后的机制不明。
9月10日，中国科学院水生生物研究所孙永华团队在Science Bulletin（IF=21.1）发表题为An oocyte and yolk syncytial layer-derived Nanog-cyp11a1-pregnenolone axis promotes extraembryonic development的研究论文，揭示了一个存在于卵子发生和早期胚胎胚外组织中的“Nanog–cyp11a1–孕烯醇酮（Pregnenolone, P5）轴”，这一调控轴完美解释了Nanog促进早期胚胎胚外组织发育，以及协调胚胎组织和胚外组织发育的作用机制。
研究团队在前期研究中，通过构建Nanog的功能缺失突变体（He et al., Mutation Res, 2014），发现在卵子发生过程中，Nanog作为转录抑制子抑制翻译延伸因子eef1a1l2的转录，从而在全局水平上对卵子发生过程进行翻译控制，促进卵子发生和早期胚胎的发育（He & Jiao et al.，Development 2022）；在胚胎发育早期，母源Nanog与TCF因子结合抑制母源β-catenin信号的全局性激活，从而保护早期胚胎正常背腹轴形成（He et al.，PLOS Biology 2020）。
在最新发表的这篇论文中，研究团队发现胆固醇侧链裂解酶编码基因cyp11a1在nanog突变体的卵子和早期胚胎中的转录水平急剧下调，有趣的是，简单过表达cyp11a1即可有效拯救nanog突变体胚胎发育的外包异常、致死性发育缺陷和胆固醇异常累积（图1）。
图1 过表达胆固醇侧链裂解酶编码基因cyp11a1拯救MZnanog发育缺陷
进一步研究发现，在卵子发生和早期胚胎胚外组织中均存在一个Nanog–cyp11a1–P5轴。在卵子发生阶段，Nanog激活胆固醇侧链裂解酶编码基因cyp11a1的转录，促进卵子中胆固醇向P5的转换、微管组装、卵子成熟和卵子质量，进而促进早期受精胚卵黄胞质层（yolk cytoplasmic layer，YCL）中微管的组装和母源物质向动物极的运输（图2）。
图2 Nanog通过Cyp11a1-P5轴调控微管组装和母源物质运输
为了研究Nanog是如何调控早期胚胎YSL中的合子基因激活（ZGA）程序，进一步构建Nanog、Pou5f3和Sox19b等3个先锋因子编码基因的敲入品系，用于示踪3个先锋因子在早期胚胎发育过程中的动态变化。结果发现，Nanog持续激活YSL核中cyp11a1的转录和P5的合成，从而促进胚外组织中的微管组装、胚胎外包运动，以及Nanog、Pou5f3和Sox19b等先锋因子向YSL核内的运输和聚集（图3），因此有效激活了YSL细胞中依赖于Nanog-cyp11a1-P5轴的ZGA和功能性YSL形成，并诱导中内胚层的发育。
图3 Nanog–Cyp11a1– P5轴调控先锋因子NPS向YSL核内聚集
研究还发现，斑马鱼cyp11a1母源合子突变体（MZcyp11a1）中存在典型的遗传补偿效应：其旁系同源基因cyp11a2在突变体卵母细胞和YSL中上调表达，可完美替代cyp11a1催化P5合成从而维持胚外组织正常发育，导致MZcyp11a1并不会出现早期发育的缺陷。
总之，该研究从胆固醇代谢、微管组装、细胞骨架、物质运输等层面，揭示了Nanog在调控胚胎细胞命运决定和胚外组织YSL及YCL结构与功能的协调统一性，发现了胚外组织YSL中存在独立于胚胎组织的ZGA程序，同时这一研究为胆固醇代谢影响鱼类卵子质量的作用机制提供了全新的认识（图4）。
图4 Nanog-Cyp11a1-P5轴指导胚外组织发育的分子机制
水生所孙永华研究员为该论文通讯作者，张茹助理研究员为第一作者，已经毕业的焦圣博博士为共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金青年科学基金A类、C类、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院特别研究助理项目等资助。文中构建的基因敲除及基因敲入品系均已保藏至国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心，并对学术界开放提供。
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