精子中组蛋白移除防止未成熟细胞分裂的分子机制

撰文丨十一月

精子染色质中组蛋白会被鱼精蛋白（Protamine）替代，这一现象在动物包括昆虫中普遍存在，但这一现象的实际功能仍不清楚。为此，法国克劳德伯纳德里昂大学Benjamin Loppin研究组与Raphaëlle Dubruille（第一作者）合作在Science发文题为Histone removal in sperm protects paternal chromosomes from premature division at fertilization，发现父本效应突变体pal（paternal loss）中精子染色质中仍然保留了组蛋白H3以及H4，该突变体在受精后会导致在灾难性过早分裂，同时通过对pal编码的蛋白进行鉴定，揭示出精子中组蛋白移除保护减数分裂过程中基因组稳定性的机制。



精子染色质通常具有高水平压缩特征，这减少了核提及，有助于精子形状形成以及流体动力学特征【1】。在许多动物物种中，精子DNA会通过精子核基础蛋白SNBPs（Sperm nuclear basic proteins）比如鱼精蛋白将核小体组蛋白替换。组蛋白-鱼精蛋白这一染色质重塑过程在精子发生过程中会出现。黑腹果蝇精子染色质中完全由鱼精蛋白所取代，只保留着丝粒组蛋白H3（CenH3）。

父系效应突变体是研究精子功能的一种重要且罕见的遗传资源。pal突变体最早分离于五十多年前，该突变体在胚胎发育初期会导致父本染色体丢失，但这一表型的机制并不清楚。为了对其中的机制进行研究，作者们收集了通过pal精子受精的野生型卵，发现其中50-60%的雄性原核碎片化。另外，作者们发现pal型受精卵大多数都不能孵化，说明早期染色体缺陷会导致胚胎发育滞留。

之后，作者们想对pal型受精卵中雄性原核碎片化的原因进行探究。作者们发现pal型受精卵中雄型原核形状不规则，并且大多数都会对称性被微管包围。另外，作者们发现pal精子染色质中组蛋白H3和H4会滞留（图1），因此pal基因可能会特异性在组蛋白-鱼精蛋白转变过程中移除H3-H4组蛋白。

图1 pal突变体中父系染色体提前凝缩

为了对pal基因进行鉴定，作者们进行了pal突变体为位点鉴定。作者们最终将pal基因定位在2号染色体左臂的30C区域。这一区域中在CG31882中出现了无义点突变。CG31882编码一个小的、无内含子的121个氨基酸的蛋白，特异性表达在睾丸中。pal突变体中蛋白因为提前终止而导致形成30个氨基酸的短截片段。为了对CG31882是否是pal基因进行鉴定，作者们使用CRISPR-Cas9技术对CG31882进行移除，发现pal4能够复制pal型受精卵中的表型。另外，通过过表达野生型Pal或者通过pal内源调控序列表达Pal-V5则能够挽救pal型受精卵的表型。因此，CG31882就是pal基因，也说明Pal-V5具有生物活性。

总的来说，通过对父系效应突变体pal研究作者们发现pal编码特异性表达在睾丸中的基因，参与到精子发生过程中组蛋白-鱼精蛋白转换过程中H3-H4组蛋白的移除，确保精子染色质在受精之前不会被提前凝缩，保证基因组的完整性以及受精过程稳健性。

同期刊发了观点文章题为A case of mistaken epigenetic identity，对该工作的发现进行评价，该工作发现精子DNA的特异性包装会确保基因组稳定性。这一工作的发现为探索精子染色质生物学提供了基础，但关于Pal是如何提调节H3-H4组蛋白移除的还不甚清楚。另外，pal在哺乳动物中并没有同源蛋白，因此哺乳动物中具有同等作用的蛋白的挖掘和研究也大有所为。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0037

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