Nat Commun | 苏俊实验室揭示哺乳动物卵母细胞染色质成熟的分子与生物物理机制

卵母细胞是哺乳动物体内最大的细胞，其 独特的 生长 模式 依赖 于 发育过程中染色质转录大量的 mRNA 以合成大量的蛋白质。生长期卵母细胞的染色质 呈现非包绕核仁（ non-surrounded nucleolus ，NSN）的构 象 ：染色质弥散且相对均匀分布在细胞核内，具有高转录活性。随着卵母细胞完成生长，其染色质会变得紧凑并转变成包绕核仁（ surrounded nucleolus ，SN）的构 象 ， 该过程 伴随着转录沉默的发生。自上世纪七十年代 初 科学家首次观察到卵母细胞 具 有这两种染色质构 象后（图1），已有一系列的研究证明 SN 型卵母细胞的发育潜能比 NSN 型 的 高，并尝试 通过 多组学技术 比较发现其 中的 分子差异。然而， 干预 这些过往被报道的差异分子 并不能 在卵母细胞里 实现染色质构 象 的 实时 转换，因此 NSN 向 SN 转变如何发生 这一关键问题 亟待 阐明 。 攻克 其中的分子机制 对 于 实现 卵母细胞染色质成熟的体 外诱导至关重要，对 解决 临床上卵子成熟障碍、 IVM 周期等 NSN 型易发 的 情况有重要 影响 。

图 1 哺乳动物卵母细胞 的两种染色质构象

2025 年 12 月 12 日，北京生命科学研究所 / 清华大学生物医学交叉研究院苏俊实验室在 Nature Communications 杂志发表了题为

Natural degradation of RNA polymerase II is essential for oocyte chromatin reorganization and maternal-to-zygotic transition

通过分选不同染色质构象的卵母细胞并进行高分辨成像， 研究人员 首先系统比较 了 NSN 型和 SN 型卵母细胞 中 大概 30 种不同核蛋白的染色强度与分布 ， 发现大多数核蛋白 在 SN 型卵母细胞里被下调。 为筛选 能 驱动 NSN 向 SN 转变的关键核蛋白，研究人员采用小分子抑制剂与 mRNA 过表达的手段来模拟 NSN 向 SN 转变过程中不同蛋白的变化，意外发现一种名为放线菌素D（ActD） 的化学小分子可以瞬时诱导 NSN 向 SN 转变。

ActD 是一种 DNA 嵌入剂，可以同时抑制 RNA 聚合酶 I 和 II 。 利用特异的 RNA 聚合酶 I 和 II 抑制剂，研究人员发现只有 RNA 聚合酶 II （ RNAPII ）的抑制剂 α- 鹅膏蕈碱（ α-amanitin ）和 雷公藤内酯（ Triptolide ）可以诱导 NSN 向 SN 转变。通过进一步 的 表观遗传、高通量染色质构象捕获和卵子发育潜能等测试，确认了 经 α-amanitin 诱导出来的 和自然的 SN 型卵母细胞高度相似。 RNAPII 是 mRNA 转录的关键酶。为了明确 NSN 向 SN 转变是否直接由转录沉默所介导，研究人员采用了 另一类 RNAPII 抑制剂 核苷类似物 直接终止 其 转录 活动 。有趣的是，核苷类似物可以有效的抑制转录但未能诱导 NSN 向 SN 转变，说明 α-amanitin 和 triptolide 经其他途径介导 NSN 向 SN 转变。经过一系列的排查，研究人员 最终 发现 α-amanitin 和 triptolide 实际上并不直接抑制转录，而是通过降解 RNAPII 而 发挥其作用。

要证明 NSN 向 SN 转变与内源 RNAPII 的蛋白 水平 相关，需要在卵母细胞里敲除 或敲降 RNAPII 。可是 RNAPII 是细胞里的必需基因，无法通过遗传学手段获得 RNAPII 敲除的卵母细胞。为此，研究人员 革新了 2017 年发表的 Trim-Away 急性蛋白去除技术，通过把 单链抗体与 Trim21 E3 泛素化酶的 RING 结构 域融合开发出了 miniTrim-Away 技术 ， 克服 了 原技术不能靶向 长期滞留在核内的蛋白的痛点。通过 RNAPII 的 miniTrim -Away ，研究人员成功在小鼠和人卵母细胞 里 瞬时降解内源 RNAPII 并确立 其 降解驱动 NSN 向 SN 转变（图2）。 进一步的体内实验亦发现NSN向SN转变与RNAPII的天然降解有关，利用解折叠酶和蛋白酶体抑制剂可以在离体卵泡培养模型中阻止NSN向SN转变的发生。

图 2 利用新开发的 miniTrim -Away 技术 降解内源 RNAPII 并重现 NSN 向 SN 转变 的表型

为了深入解析 RNAPII 降解如何驱动 NSN 向 SN 转变，研究人员通过超分辨成像 、 CUT&Tag 和 磷酸酶 抑制剂处理 发现转录活跃的 磷酸化 RNAPII 会积累在 染色质 （尤其 是 在转录活跃的转录起点和转录终点后 10kb 的区域） 并参与 NSN 向 SN 的 转变 ，而不活跃的非磷酸化 RNA P II 会游离在核质。 因此，研究人员 提出假设：磷酸化RNAPII的结合约束了染色质动态，继而把染色质锁在了弥散的NSN构象。利用 高速活细胞成像 和 均方位移 分析 ， 研究人员 发现 NSN 型染色质 的动态 的确 比 SN 型的低。 进一步， 研究人员通过过表达组蛋白 H2B 和锚定染色质到核膜 上 这两种不同限制染色质动态的方法， 在功能层面上证明了 约束染色质的动态 可以阻止 NSN 向 SN 转变 时旁染色质的凝聚。意外的是，这两种干预并不影响核仁 边 染色质的凝聚，说 明在 RNAPII 降解的过程中 有两种不同的作用力驱动 NSN 向 SN 转变 ：一种是染色质动态恢复所产生的塌陷力，而另一种可能是与核仁表面有关的吸引力。通过 向 核 内 注射核仁大小的无生物活性油滴和利用没有核仁的 Npm2 条件敲除小鼠，研究人员最终发现 RNAPII 的降解同时会引发核仁表面蛋白的重塑，并提出 哺乳动物卵母细胞染色质 从 NSN 向 SN 转变的完整模型（图3）。

图 3 本研究提出的 哺乳动物卵母细胞染色质 成熟 的 机制

综上，本研究首次揭示卵母细胞染色质成熟的机制：生长过程中，RNAPII会经非经典的非泛素化依赖途径逐渐被降解。随着 RNAPII 从染色质上被 剥离 ，转录 终止 的同时会增加 染色质动态 和 引 发 核仁表面 重塑 ， 继而产生两种不同的作用力驱动 NSN 向 SN 转变。 若 该过程 受阻， 受精卵的 RNAPII 蛋白 水平和定位 会出现 异常， 影响 母源 向 合子 转变和后期早期胚胎发育 。

苏俊实验室的博士生王静为该论文的第一作者。北京生命科学研究所 / 清华大学生物医学交叉研究院苏俊研究员、黎斌研究员和 中南大学基础医学院 / 中信湘雅生殖与遗传专科医院 林戈教授为本文的共同通讯作者。论文的其他作者包括黎斌实验室的李网、中南大学基础医学院 / 中信湘雅 生殖与遗传专科医院郭静副教授和北京家园医院徐小明博士在多组学数据分析和人卵母细胞的募集做出了贡献。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-67476-z

制版人： 十一

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