中国科学院分子细胞科学卓越创新中心合作揭示哺乳动物原始生殖细胞迁移过程中命运维持的关键机制

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7月30日，国际学术期刊Cell Research在线发表了中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）李劲松研究组与上海交通大学医学院李庆研究组、广州国家实验室张满研究组、浙江大学医学院胡荣贵研究组和上海科技大学郑辉研究组合作完成的最新成果“TRIM37 interacts with TRIM28 to maintain primordial germ cell identity during migration”。该研究首次揭示了E3泛素连接酶TRIM37在原始生殖细胞迁移阶段维持细胞命运的关键作用，解析了TRIM37通过结合TRIM28在细胞核内协同AP2γ抑制体细胞转录程序的分子机制，为理解胚胎生殖细胞命运维持及生殖系统发育提供了新的理论基础。

原始生殖细胞（Primordial germ cells，PGCs）是生命世代延续的起点，也是胚胎发育过程中唯一能够将遗传信息传递给下一代的细胞。在胚胎发育过程中，PGCs完成特化后需经历长距离迁移，最终定植于生殖嵴并发育形成精子和卵子。尽管PGC特化机制已得到广泛研究，但其在迁移过程中如何持续维持种系细胞身份、避免体细胞发育程序异常激活，一直是发育生物学领域未被回答的重要科学问题。

为了筛选调控PGC发育的新基因，研究团队进一步优化了此前建立的半克隆技术介导的功能基因在体遗传筛选体系，针对E3泛素连接酶TRIM家族在PGC发育中功能，开展了在体遗传筛选，并通过多种独立的遗传改造模型进行验证，最终确定Trim37是维持PGC发育所必需的关键因子。进一步分析发现，Trim37缺失并不影响PGCs的早期特化，而是在胚胎E9.5迁移阶段开始导致PGCs快速减少，并最终在E12.5左右完全丢失。PGC体外诱导体系和特异性条件敲除模型进一步证实，TRIM37以细胞自主方式发挥作用，其功能主要发生于PGC迁移过程中，而非早期诱导特化阶段。

为了阐明PGC缺失的原因，研究团队结合单细胞转录组、谱系追踪及体外诱导PGCLC体系开展系统分析。结果表明，Trim37缺失后，部分PGCs逐渐偏离正常发育轨迹，失去生殖细胞特征，同时异常激活大量中胚层发育及器官形成相关基因，表现出明显的体细胞样转录特征。谱系示踪实验进一步证明，部分Trim37缺失的PGCs已不再表达生殖细胞的标记蛋白。这些结果表明，TRIM37对于维持迁移期PGCs的生殖细胞身份至关重要，其缺失导致PGCs发生命运改变，并异常启动体细胞发育程序。

机制研究进一步发现，TRIM37通过MATH结构域与TRIM28直接结合，并利用RING结构域催化TRIM28发生单泛素化及多泛素化修饰。该修饰增强了TRIM37与TRIM28之间的相互作用，并促进TRIM37在细胞核中的稳定富集。无论破坏TRIM37与TRIM28结合、强制TRIM37定位于胞质，还是破坏TRIM37泛素连接酶活性，均会导致PGC发育异常。进一步质谱鉴定TRIM28的K774和K779为关键泛素化位点，相应位点突变小鼠胚胎同样表现出PGC数量显著下降，证明TRIM37介导TRIM28泛素化对于维持PGC命运具有重要功能。

研究团队进一步结合ATAC-seq、CUT&RUN及CUT&Tag等多组学分析发现，TRIM37缺失后，TRIM28在大量体细胞发育相关位点的结合显著下降，同时这些区域染色质开放程度增加，并伴随H3K27ac活化修饰增强，最终导致体细胞发育程序异常激活。进一步分析表明，这些TRIM28结合区域富集AP2γ结合位点，TRIM37能够与AP2γ发生相互作用，且AP2γ条件性敲除同样导致迁移期PGCs大量缺失。研究据此提出，AP2γ可能协同TRIM37–TRIM28抑制复合物作用于部分体细胞基因位点，共同维持PGCs的生殖细胞身份。

值得注意的是，人类TRIM37突变可导致Mulibrey综合征并伴随生殖功能障碍。研究团队构建了患者相关突变小鼠模型，发现均能够重现PGC发育缺陷。此外，人类PGCs中同样表达TRIM37、TRIM28及AP2γ，暗示该调控网络具有较高的进化保守性。该研究首次建立了TRIM37–TRIM28–AP2γ协同维持迁移期原始生殖细胞命运的分子模型，揭示了PGCs在完成特化之后仍需要持续主动抑制体细胞发育程序，以维持生殖细胞身份。这一发现不仅深化了对哺乳动物生殖细胞发育机制的认识，也为理解不孕不育等生殖相关疾病的发生机制提供了新的理论依据，并为未来相关疾病的干预与治疗提供了潜在靶点。

分子细胞卓越中心李劲松研究员、上海交通大学医学院李庆研究员、广州国家实验室张满研究员、浙江大学医学院胡荣贵研究员、上海科技大学郑辉教授为该论文共同通讯作者。李庆研究员（原分子细胞卓越中心副研究员）、分子细胞卓越中心博士毕业生印熙娣（现上海市第一人民医院博士后）、浙江大学医学院李传银博士、上海科技大学博士研究生郭力为该论文共同第一作者。浙江大学陈迪团队和爱丁堡大学Ian Chambers团队为该工作提供重要指导和帮助。该项研究工作得到国家自然科学基金、科技部、上海市科委等部门资助。该项研究工作得到分子细胞卓越中心细胞分析技术平台、分子生物学技术平台、动物实验技术平台以及上海科技大学高性能计算平台支持。

来源：“生物谷”微信公众号

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