解谜！哺乳动物卵母细胞在线粒体附近无膜区室储藏mRNA

哺乳动物卵母细胞（mammalian oocyte）在生长的后期会停止转录（transcription），直到受精后胚胎基因组被激活才重新开启。因此，卵母细胞发育为成熟的卵子（egg）是在没有转录的情况下发生的。在此过程中，卵母细胞必须依赖之前储存的mRNA来翻译新的蛋白【1】。先前的研究已经在非哺乳动物卵母细胞（non-mammalian oocyte）中发现了各种不同类型的储藏mRNA的无膜细胞区室（membraneless compartment）【2】。然而，一直以来都不清楚哺乳动物卵母细胞中的mRNA是储存在哪里以及如何储存的。

2022年10月21日，来自德国马克斯普朗克跨学科研究所的Melina Schuh团队在Science杂志上发表了一篇题为Mammalian oocytes store mRNAs in a mitochondria-associated membraneless compartment的文章（第一作者程世亚博士、Gerrit Altmeppen），发现哺乳动物卵母细胞将mRNA储存在一个线粒体相关的无膜区室里。

首先，研究人员通过质谱鉴定了在小鼠卵母细胞的细胞质中高表达的RNA结合蛋白（RNA-binding protein），并通过免疫染色对这些蛋白的定位进行了分析。他们发现RNA结合蛋白ZAR1【3】、YBX2、DDX6、LSM14B和4E-T都聚集在线粒体附近，并与线粒体形成集群（cluster）。与此对比，这些RNA结合蛋白并不与其它细胞器共定位，或仅有部分共定位。RNA原位杂交（RNA-FISH）实验显示mRNA也定位在这个结构中，这表明它是一个mRNA储藏区。有趣的是这个结构在人、猪和牛的卵母细胞中同样存在。由于这个结构与先前发现的RNA储藏区室都有显著不同，研究人员将这个结构命名为了线粒体相关的核糖核酸蛋白域（mitochondria-associated ribonucleoprotein domain），简称为MARDO。

进一步研究发现，MARDO的组装依赖卵母细胞生长过程中线粒体膜电位的增加，并且RNA结合蛋白ZAR1在MARDO组装过程中发挥主要作用。在所有尝试过的RNA结合蛋白中，只有ZAR1的过表达（overexpression）可以促使小的MARDO-线粒体集群聚合（coalesce）成更大的集群，并且ZAR1的N-端的无序区在这一过程中发挥重要作用。为了确定ZAR1对MARDO的组装是必需的，研究人员分别用基因敲除、RNA干扰和Trim-Away对ZAR1进行了敲除，发现MARDO的组装和线粒体的聚集都受到了影响。

最后，研究人员发现MARDO中储藏了许多处于翻译抑制状态（translationally repressed）的mRNA。它们中的一部分会在卵母细胞成熟为卵子或者早期胚胎发育过程中被激活【4-6】。ZAR1的缺失不仅破坏了MARDO，也导致了MARDO中所储藏的mRNA的过早丧失。母源的mRNA需要被逐渐降解并被替换为胚胎的mRNA，这对早期胚胎发育至关重要。研究人员还发现，蛋白酶体介导的ZAR1的降解会促使MARDO在成熟卵子中解聚。MARDO的解聚保证了之前储藏在MARDO中的母源mRNA可以被及时降解。

综上所述，研究人员发现了MARDO这种用于储藏哺乳动物（包括人类）卵母细胞中的母源mRNA的无膜区室，并且揭示了MARDO如何协调母源mRNA的储存、翻译和降解以确保哺乳动物的生育能力。此外，该研究还揭示了无膜的MARDO和有膜的线粒体在物理和功能上的相互作用。

http://doi.org/10.1126/science.abq4835

制版人：十一

参考文献

1. L. Li, P. Zheng, J. Dean, Maternal control of early mouse development.Development137, 859-870 (2010).

2. C. So, S. Cheng, M. Schuh, Phase Separation during Germline Development.Trends Cell Biol31, 254-268 (2021).

3. Y. Rong et al., ZAR1 and ZAR2 are required for oocyte meiotic maturation by regulating the maternal transcriptome and mRNA translational activation.Nucleic Acids Res47, 11387-11402 (2019).

4. X. G. Luong, E. M. Daldello, G. Rajkovic, C. R. Yang, M. Conti, Genome-wide analysis reveals a switch in the translational program upon oocyte meiotic resumption.Nucleic Acids Research48, 3257-3276 (2020).

5. C. Zhang, M. Wang, Y. Li, Y. Zhang, Profiling and functional characterization of maternal mRNA translation during mouse maternal-to-zygotic transition.Sci Adv8, eabj3967 (2022).

6. Z. Xiong et al., Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development.Nat Cell Biol24, 968-980 (2022).

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