圖文看懂|導精子發育過程中蛋白質翻譯激活重要機制

《科學》（Science）在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）劉默芳研究組與國內外多家實驗室合作完成的以LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs為題的研究論文。該研究報道了RNA結合蛋白FXR1可通過液-液相分離激活小鼠后期精子細胞中mRNA的翻譯，保障精子形成過程的正常進行。《科學》隨刊配發的法國人類遺傳研究所教授Martine Simonelig撰寫的展望評論（Activating translation with phase separation）提出，盡管RNP顆粒在發育過程中的動態變化已被描述，但解析這類顆粒的形成如何在體內發揮生物學功能仍面臨挑戰，該成果推動了對于這一問題的研究進展。

　　在精子細胞形變過程中，隨著細胞核被逐步壓縮，基因組的轉錄活動將逐漸降低直至完全停止。后期精子細胞發育所需基因需提前轉錄為信使核糖核酸（mRNA），然后以翻譯抑制狀態儲存于信使核糖核蛋白（mRNPs），至特定發育階段再被激活翻譯，以合成蛋白質發揮功能。然而，這些后期精子細胞中儲存的mRNA如何被翻譯激活，科學家對其中的機制知之甚少。

　　為了探究后期精子細胞mRNA的翻譯激活機制，研究分析了不同發育階段小鼠睪丸的多聚核糖體蛋白譜，挖掘后期精子細胞中潛在的翻譯調控因子。結果顯示，RNA結合蛋白FXR1顯著富集于后期精子細胞的多聚核糖體組份中，且在小鼠睪丸中特異性高表達。進一步研究發現，FXR1結合一大群特異性在后期精子細胞中翻譯的mRNA，且與EIF4G3等多個翻譯相關因子存在相互作用。生殖細胞特異性敲除Fxr1不影響靶mRNA穩定性，但導致其在后期精子細胞中翻譯活性降低、蛋白表達減少。更重要的是，Fxr1敲除小鼠無精、雄性不育，表明FXR1對后期精子細胞的翻譯和精子細胞發育均至關重要。

　　機制研究表明，FXR1具有蛋白濃度依賴性的液-液相分離（Liquid-liquid phase separation，LLPS）性質，且FXR1與EIF4G3等多個翻譯相關因子及靶mRNA都顯著富集于后期精子細胞中的FXR1顆粒中，暗示FXR1在后期精子細胞中相分離可能與其對靶mRNA的翻譯激活作用密切相關。研究利用可表征胞內RNA翻譯狀態的TRICK報告系統和慢病毒轉導系統在培養細胞和精子細胞水平證明，FXR1相分離能力與其在細胞內形成顆粒及其靶RNA的翻譯激活緊密相關。研究利用CRISPR-Cas9結合半克隆技術構建了在生殖細胞特異性敲入相分離能力缺失的FXR1突變小鼠模型。該小鼠表現為無精、雄性不育，證明FXR1相分離為后期精子細胞mRNA翻譯激活和精子形成所必需。

　　基于研究成果，科研人員提出工作模型：在球形精子細胞中，低水平表達的FXR1可協同其他RNA結合蛋白識別部分新轉錄的mRNA，在細胞質中組裝成翻譯抑制狀態的mRNPs；進入精子細胞后期，大量表達的FXR1發生相變并形成FXR1顆粒，招募EIF4G3等翻譯機器，激活FXR1顆粒中存儲mRNA的翻譯，保障精子細胞發育和精子生成。

　　研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院、上海市科學技術委員會等的資助，獲得分子細胞卓越中心GTP中心、分子生物學技術平臺、細胞分析技術平臺、動物實驗技術平臺等的支持，并得到美國加州大學圣地亞哥分校、武漢大學、南京醫科大學、上海市計劃生育科學研究所、美國貝勒醫學院等的科研人員的協助。

FXR1顆粒介導后期精子細胞翻譯激活