遗传所PLOS解析果蝇生殖干细胞分化

最近，中科院遗传与发育生物学研究所课题组的研究人员，在国际权威杂志《PLOS Genetics》发表了一项最新研究成果，这项研究确定了一个雄性不育突变体，它的生殖细胞处于分化和过度增殖。相关基因编码一个RNA结合蛋白，该蛋白属于一个肿瘤抑制因子家族。该研究表明，这个蛋白与其他两个RNA结合蛋白，形成一个物理和功能单位，以确保生殖干细胞谱系的适当分化和准确增殖。

　　

生物通报道：最近，中科院遗传与发育生物学研究所课题组的研究人员，在国际权威杂志《PLOS Genetics》发表了一项最新研究成果，题为“Three RNA Binding Proteins Form a Complex to Promote Differentiation of Germline Stem Cell Lineage in Drosophila”。 这项研究确定了一个雄性不育突变体，它的生殖细胞处于分化和过度增殖。相关基因编码一个RNA结合蛋白，该蛋白属于一个肿瘤抑制因子家族。该研究表明，这个蛋白与其他两个RNA结合蛋白，形成一个物理和功能单位，以确保生殖干细胞谱系的适当分化和准确增殖。

本文通讯作者为中科院遗传与发育生物学研究所分子发育生物学国家重点实验室的王朝晖研究员，其1990年毕业于北京医科大学，1992年在在Loyola University Chicago获得生理学硕士学位；1998获芝加哥大学（The University of Chicago）发育生物学博士学位。1998至2004年在哥伦比亚大学（Columbia University）做博士后研究。2004年入选中国科学院“****”，在遗传与发育生物学研究所任研究员。该研究组主要以果蝇、小鼠为模式动物，利用多学科的实验技术和方法，研究生殖细胞发育及人类不育相关分子机制。曾在Developmental Biology、Development、Human Molecular Genetics、J Genetics& Genomics等学术期刊发表论文多篇。

成人干细胞通过分裂，来补充再生组织中已分化、死亡或受损的细胞。为了给组织内稳态产生足够多的分化型后代，并避免频繁细胞分裂引起的致癌突变积累，在成体终末分化之前，干细胞子代会经历多轮次的短暂扩充（f transit-amplifying，TA）分裂。然而，如果不能阻止TA分裂并进入编程分化，可能引起成人干细胞谱系的肿瘤发生。

果蝇（Drosophila）精子发生（spermatogenesis）是研究成人干细胞谱系精确TA分裂控制机制的一个极为刻板和易使用的系统。在睾丸的顶端，生殖干细胞（GSCs）和体囊干细胞围绕着中心丛生。GSC不对称地分裂，产生一个子细胞，靠近中心，仍然作为一个GSC，而另一个则远离中心，分化为一个成精原母细胞（gonialblast，GB）。因为奠基者细胞引起一种无性系配子产生，GB转而又经历了四次TA分裂，形成一组16个连通的精原细胞，其后它们同步发育。经过四次分裂之后，精原细胞切换到减数分裂/精母细胞程序，并且细胞体积增大了25倍。形态上的巨大差异、可在不同阶段区分生殖细胞的分子标记的实用性，特别是TA分裂的精确数字，使果蝇精原细胞增殖成为一种完美的模型，用于寻求遗传操作上的偏差。

在过去的几十年里，在果蝇精子发生过程中，研究人员已经发现了调节TA分裂的许多内在和外在因素。其中，bam (bag of marbles) 是其中最主要的一个，不仅因为它是这一过程发现的第一个参与因子，而且因为在生殖细胞中，Bam蛋白积累可发送信号，指示停止TA分裂和/或开始进一步分化。Bam蛋白在GSCs的异位表达，可导致所有干细胞的过早分化。

Bgcn（Benign gonial cell neoplasm）是Bam的一个“亲密”伙伴，因为它们有相同的突变表型，并且它们存在于相同的蛋白质复合体中，授予雄性和雌性生殖细胞的翻译阻遏。在培育的果蝇S2细胞中，Bam和Bgcn可抑制与DE-钙粘蛋白3’非编码区（3′UTR）结合的报告基因的表达。在雌性生殖细胞中，Bam-Bgcn复合物可通过nos 3′UTR，对抗Nanos (Nos)表达。而在雄性生殖细胞中，这种复合物可直接结合mei-P26 3′UTR，以抑制Mei-P26，其在早期TA细胞中的初始表达是Bam积累所必需的。因此，在Mei-P26和Bam之间形成一个负反馈环，以确保Bam的适当积累和准确的TA分裂。然而，Mei-P26在TA细胞中的超表达，不像bam或bgcn突变体表型。发现参与这一过程的更多基因，将解开调控从TA分裂到减数分裂转换的调控网络。

在这项研究中，研究人员在果蝇突变形成中筛选参与生殖干细胞（GSC）谱系调控的因子，他们分离了一个基因（CG32364）的突变，该基因编码一个假定的RNA结合蛋白（RBP），并被指定为肿瘤睾丸（tut）。在tut突变体中，精原细胞不能分化和过度扩增，这种表型与mei-P26突变体的类似。

Mei-P26是GSC谱系分化所必需的一个TRIM-NHL抑癌基因同源物。研究人员发现，Yut优先与mei-P26 3′UTR的一个长的同种型结合，对mei-P26报告基因的翻译阻遏至关重要。Bam和Bgcn是两个RBPs，也被证明能够抑制mei-P26表达。该研究的遗传分析表明，tut、bam或bgcn是抑制mei-P26和促进GSCs分化所必需的。

生化实验结果表明，Tut、Bam和Bgcn能够形成一个物理复合体，其中Bam把Tut保留在其N末端，将Bgcn保留在其C末端。体外和体内实验证明，Tut与Bam、Bgcn一起作用，精确调整果蝇生殖干细胞谱系的增殖和分化。

（生物通：王英）

延伸阅读：干细胞如何被激活以对抗感染

生物通推荐原文摘要：
Three RNA Binding Proteins Form a Complex to Promote Differentiation of Germline Stem Cell Lineage in Drosophila
Abstract: In regenerative tissues, one of the strategies to protect stem cells from genetic aberrations, potentially caused by frequent cell division, is to transiently expand the stem cell daughters before further differentiation. However, failure to exit the transit amplification may lead to overgrowth, and the molecular mechanism governing this regulation remains vague. In a Drosophila mutagenesis screen for factors involved in the regulation of germline stem cell (GSC) lineage, we isolated a mutation in the gene CG32364, which encodes a putative RNA-binding protein (RBP) and is designated as tumorous testis (tut). In tut mutant, spermatogonia fail to differentiate and over-amplify, a phenotype similar to that in mei-P26 mutant. Mei-P26 is a TRIM-NHL tumor suppressor homolog required for the differentiation of GSC lineage. We found that Tut binds preferentially a long isoform of mei-P26 3′UTR, and is essential for the translational repression of mei-P26 reporter. Bam and Bgcn are both RBPs that have also been shown to repress mei-P26 expression. Our genetic analyses indicate that tut, bam, or bgcn is required to repress mei-P26 and to promote the differentiation of GSCs. Biochemically, we demonstrate that Tut, Bam, and Bgcn can form a physical complex in which Bam holds Tut on its N-terminus and Bgcn on its C-terminus. Our in vivo and in vitro evidence illustrate that Tut acts with Bam, Bgcn to accurately coordinate proliferation and differentiation in Drosophila germline stem cell lineage.