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为探究核 RNA 降解在动物中的作用，研究人员聚焦 MTR4，发现其对胚胎和精子发生至关重要。
在生命的奇妙旅程中，基因表达就像一场精准的交响乐演奏，而 RNA 降解则是其中不可或缺的调音师。以往，人们大多在培养细胞中研究核 RNA 降解，却对其在动物体内的真实情况知之甚少：它究竟是否存在于动物体内？又如何影响胚胎和动物的发育进程呢？这些未解之谜，就像重重迷雾，笼罩在科研人员的心头，也成为了推动他们深入探索的强大动力。
为了揭开这些谜团，中国科学院大学杭州高等研究院生命科学学院浙江省系统健康科学重点实验室、中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所 RNA 创新科学与工程重点实验室等多个研究机构的研究人员携手合作，将目光聚焦在核 RNA 外切体的核心辅助因子 MTR4 上，展开了一系列深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，为我们揭示了核 RNA 降解在生物发育过程中的关键作用。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在动物模型构建方面，他们生成了 Mtr4 基因敲除（KO）小鼠，包括全身性敲除和生殖细胞特异性敲除小鼠，以此探究 MTR4 在不同发育阶段的功能。在分子生物学检测技术上，运用 RNA 测序（RNA-seq）和线性扩增 cDNA 末端并测序（LACE-seq）技术，分析基因表达变化和 MTR4 的结合位点，深入研究 MTR4 对转录组的调控机制。同时，借助免疫沉淀、荧光原位杂交等技术，从蛋白与 RNA 相互作用、RNA 定位等多方面进行探究。
研究结果如下：
- Mtr4 敲除导致小鼠胚胎致死：研究人员构建的 Mtr4 KO 小鼠胚胎发育在 6.5 天停止。Mtr4-/-小鼠胚胎在子宫内仅能存活至胚胎第 6.0 天（E6.0），之后只能观察到异常胚胎或空的、充满碎片的妊娠物。这表明 MTR4 对于小鼠早期胚胎发育至关重要。
- 生殖细胞特异性缺失 Mtr4 导致雄性不育：Mtr4 在睾丸中高表达，研究人员利用 Stra8-GFPCre 小鼠构建了生殖细胞特异性敲除 Mtr4 的小鼠（Mtr4-cKO）。这些雄性小鼠完全不育，其睾丸明显小于对照组，附睾中无精子，生精小管狭窄且几乎缺乏生殖细胞。
- MTR4 突变导致精子发生缺陷在 P9 出现：对不同发育阶段小鼠睾丸进行苏木精 - 伊红（H&E）染色发现，Mtr4-cKO 小鼠在 P7 时睾丸小管与对照组无明显差异，但在 P14 和 P21 时细胞数量显著减少。进一步研究发现，在 P9 时，Mtr4 突变的生殖细胞出现减数分裂起始缺陷。
- MTR4 是减数分裂起始所必需的：通过免疫染色分析，发现 Mtr4-cKO 小鼠在减数分裂起始阶段，STRA8+γH2A.X+细胞（减数分裂起始标志细胞）数量显著减少，而 SYCP3（联会复合体的组成部分，在减数分裂中发挥重要作用）阳性细胞也几乎检测不到，同时突变生殖细胞中更多细胞被 TUNEL 染色阳性，表明未启动减数分裂的细胞可能通过凋亡途径被清除。这一系列结果表明 MTR4 在精子发生的减数分裂起始过程中起着不可或缺的作用。
- 少量 Mtr4 突变的前细线期（pL）/pL 样精母细胞无法完成减数分裂：虽然在 Mtr4-cKO 小鼠中，少数精原细胞能进入精母细胞阶段，但追踪减数分裂进程发现，这些细胞只能发育到细线期和偶线期，无法形成粗线期和双线期精母细胞，说明它们无法完成减数分裂。
- MTR4 参与小鼠核外切体 RNA 降解：MTR4 主要定位于生殖细胞核中，免疫沉淀实验表明它与外切体成分、核外切体辅助因子及核帽结合蛋白相关。此外，通过荧光原位杂交发现，Mtr4 突变生殖细胞的细胞核中 polyA RNA 积累，这表明 MTR4 参与小鼠核外切体 RNA 降解过程。
- Mtr4 突变的前减数分裂精原细胞转录组具有有丝分裂 / 减数分裂混合特征：对 c-KIT+雄性生殖细胞进行 RNA-seq 分析，发现 Mtr4-cKO 小鼠中有 1145 个基因上调，2805 个基因下调。基因本体（GO）分析显示，这些差异表达基因与有丝分裂和减数分裂调控相关。进一步分析发现，MTR4 在促进有丝分裂基因表达的同时，抑制减数分裂基因表达。
- MTR4 对不同长度和内含子数目的基因进行差异调控：研究发现，MTR4 倾向于抑制较短且内含子较少的基因表达，同时确保较长且内含子较多的基因正常表达。有丝分裂基因和减数分裂基因在长度和内含子数目上存在明显差异，在减数分裂起始过程中，基因表达从较长、内含子较多的有丝分裂基因向较短、内含子较少的减数分裂基因转变，且 Mtr4 和外切体成分的表达在这一过程中降低。
- MTR4 与多种 RNA 底物结合：利用 LACE-seq 技术研究发现，MTR4 更倾向于结合较短且内含子较少的 RNA。它在不同类型的 RNA 底物上的结合位点不同，例如在成熟的复制依赖性组蛋白（RDH）mRNA 的中部和 3’区域有较高结合，且 MTR4 对 RDH mRNA 的降解具有保守性。
- Mtr4 突变导致基因上调主要是由于 RNA 降解受抑制：LACE-seq 数据显示，Mtr4-cKO 生殖细胞中 65% 上调的 mRNA 有 MTR4 结合，可能是核外切体的降解靶点。此外，部分基因上调可能与 PROMPTs 积累有关，但基因上调主要还是归因于 RNA 降解受抑制。
- 多聚腺苷酸化逆转座子 RNA 在 Mtr4 突变生殖细胞中积累：真核生物基因组中存在大量逆转座子，在生殖细胞中抑制其活性对避免自发突变十分重要。研究发现，MTR4 结合的 reads 中有 52.4% 映射到重复元件，其中包括大量的逆转座子 RNA。在 Mtr4-cKO 生殖细胞中，LINE、SINE 和 LTR 等逆转座子 RNA 均显著积累，尤其是 B2 SINE RNA，它可能通过顺式作用抑制部分基因表达。
- Mtr4 敲除导致有丝分裂和减数分裂基因的可变剪接变化：分析 MTR4 在蛋白编码基因上的结合分布，发现其在许多内含子上有结合，暗示其在 mRNA 前体剪接中的作用。对 Mtr4-cKO 样本进行可变剪接分析，发现 2021 个可变剪接事件发生显著变化，主要为外显子跳跃。GO 分析表明，这些变化与减数分裂调控相关，进一步验证了 MTR4 通过调节可变剪接来调控减数分裂基因表达。
综合研究结论与讨论部分，这项研究明确了核 RNA 降解在胚胎发育和精子发生过程中的重要意义，尤其是在减数分裂起始阶段。MTR4 作为核 RNA 外切体的关键辅助因子，通过对 RNA 降解、可变剪接等过程的调控，塑造了生殖细胞的转录组，确保了减数分裂的正常启动和精子发生的顺利进行。此外，研究还发现 MTR4 对成熟组蛋白 mRNA 和逆转座子 RNA 的调控作用，为进一步理解基因组稳定性和基因表达调控提供了新的视角。这一研究成果不仅加深了人们对生殖细胞发育分子机制的理解，也为相关生殖疾病的研究和治疗提供了潜在的靶点和理论基础。
