武汉大学PLoS Genetics解析减数分裂基因表达

　　

生物通报道  近日来自武汉大学生命科学学院的研究人员在减数分裂表观遗传学调控研究中取得新突破，相关论文“DNA demethylation and USF regulate the meiosis-specific expression of the mouse Miwi”，在线发表于遗传学领域著名学术期刊《PLoS Genetics》上，并被该杂志选为“Featured Research”。

武汉大学生命科学学院周荣家教授和程汉华教授为这篇论文的共同通讯作者，前者的主要研究方向为早期胚胎发育、分化和器官形成过程中所涉及的众多基因的时空表达与调控。后者致力于动物及人类分子细胞生物学和分子发育遗传学方面的研究。博士生侯宇为文章的第一作者。

在各种不同的基因沉默过程中，小分子RNA联合Argonaute蛋白作为一种序列特异性的指引来调节信使mRNA的稳定性、蛋白的合成、染色质的组构和基因组的结构。在动物中，Argonaute蛋白分为两种亚家族，其中一种亚家族——Piwi蛋白家族，为无脊椎动物的精子和干细胞的发育所必需。两种Piwi蛋白家族成员：MILI 和MIWI是小鼠精子形成所必需的，然而直到现在研究人员对于调控Miwi基因表达的机制还不是很清楚。

在这篇文章中，研究人员通过突变分析和转基因小鼠模型，鉴别了小鼠Miwi基因303bp的近侧启动子区域，这一区域调控了减数分裂过程中从中粗线期（midpachyten）精母细胞到圆形精细胞的特异表达。

研究人员鉴别了Miwi基因核心启动子内转录因子NF-Y（核因子Y）和USF（上游刺激因子）结合位点的特征，发现两种因子都特异性地结合并激活了Miwi启动子。近端启动子三个CpG岛的甲基化图谱揭示CpG岛甲基化状态和生殖细胞类型特异性Miwi表达之间存在显著的负相关性。在启动子E2盒（box）内USF结合位点的CpG甲基化抑制了USF的结合。转基因Miwi-EGFP和内源性Miwi揭示了Miwi-EGFP转基因小鼠生殖细胞内Miwi的亚细胞共定位模式。此外，Miwi启动子驱动转基因的DNA甲基化突破与内源性Miwi启动子相似，表明Miwi转基因通过体内甲基化作用发生了表观遗传学修饰确保了其时空表达。

新研究通过转基因小鼠体内甲基亚模式（一种表观遗传方式）的研究，建立了探索减数分裂过程及分子细胞学机制的实验模型, 揭示了Miwi基因在减数分裂过程中时空表达的表观遗传调控机制。有助于探索二倍体向单倍体细胞的分化机制，以及认识在不同时期及特定位置的细胞分化过程。为深入探索细胞分化和发育机制提供了重要基础。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

DNA Demethylation and USF Regulate the Meiosis-Specific Expression of the Mouse Miwi

Miwi, a member of the Argonaute family, is required for initiating spermiogenesis; however, the mechanisms that regulate the expression of the Miwi gene remain unknown. By mutation analysis and transgenic models, we identified a 303 bp proximal promoter region of the mouse Miwi gene, which controls specific expression from midpachytene spermatocytes to round spermatids during meiosis. We characterized the binding sites of transcription factors NF-Y (Nuclear Factor Y) and USF (Upstream Stimulatory Factor) within the core promoter and found that both factors specifically bind to and activate the Miwi promoter. Methylation profiling of three CpG islands within the proximal promoter reveals a markedly inverse correlation between the methylation status of the CpG islands and germ cell type–specific expression of Miwi. CpG methylation at the USF–binding site within the E2 box in the promoter inhibits the binding of USF. Transgenic Miwi-EGFP and endogenous Miwi reveal a subcellular co-localization pattern in the germ cells of the Miwi-EGFP transgenic mouse. Furthermore, the DNA methylation profile of the Miwi promoter–driven transgene is consistent with that of the endogenous Miwi promoter, indicating that Miwi transgene is epigenetically modified through methylation in vivo to ensure its spatio-temporal expression. Our findings suggest that USF controls Miwi expression from midpachytene spermatocytes to round spermatids through methylation-mediated regulation. This work identifies an epigenetic regulation mechanism for the spatio-temporal expression of mouse Miwi during spermatogenesis.

作者简介：

周荣家　　

现为武汉大学生命科学学院教授，博士生导师。学科专业是遗传学，研究方向是动物及人类分子发育遗传学。1978-82、1983-86年分别在四川农业大学取得学士和硕士学位，1989-92在华西医科大学取得博士学位，1992-94在武汉大学生物（遗传）学博士后流动站从事博士后研究。曾对美国加州大学旧金山分校（UCSF）、Louisiana州立大学、澳大利亚Latrobe 大学、国立新加坡大学、法国人类遗传学研究所（CNRS）、巴斯德研究所（Pasteur）、香港大学等分别进行过访问和合作研究。1996年起任武汉大学教授，1998年起评为博士生导师，教育部“新世纪优秀人才计划” 获得者（2005），2006年享受政府特殊津贴。现任SCI刊物《BMC Evol. Biol.》(IF=4.05) 的 副主编和SCI刊物《J. Biomed. Biotech.》(IF=2.563) 的编委，美国主办国际刊物《Zebrafish》编委, 核心刊物《J. Genet. Genomics》和《遗传》编委核心刊物《动物学研究》学科副主编、核心刊物《遗传学报》和《遗传》的编委、《动物学研究》的学科副主编，曾任第六届中国遗传学会动物遗传学专业委员会副主任、第三届淡水生态与生物技术国家重点实验室学术委员会委员、第六届中国空间生命专业委员会委员等职。曾获湖北省青年科技奖、中国遗传学会李汝祺优秀动物遗传学论文奖、湖北省自然科学二等奖等。

程汉华 　
教授、博士生导师 　　
专业：细胞生物学 　　
研究方向：动物分子细胞生物学 　　
主要研究领域和兴趣：我们实验室的研究兴趣是关于动物及人类分子细胞生物学和分子发育遗传学研究课题: 1.性别决定与分化.2.细胞凋亡. 3.胚胎发生中的信号转导

主要经历
1979-1983 学士学位,华中农业大学畜牧兽医学系 　
1983-1986 硕士学位,四川农业大学动物遗传育种学系 　　
1990-1993 博士学位,华西医科大学生物化学及分子生物学系 　　
1986－1990 助教,华中农业大学 　　
1993－至今 讲师、副教授、教授、博士生导师,武汉大学 　　
1998－1999 访问学者,美国西东大学生物学系 　　
1999-2000.2 博士后,美国康乃尔大学动物学系