Science：揭示哺乳动物卵母细胞利用线粒体相关无膜区室储存母体mRNA

哺乳动物卵母细胞在生长过程中通过积极转录积累了大量的信使RNA（mRNA）。转录在卵母细胞生长的最后阶段停止，只有在受精后胚胎基因组被激活时才恢复。在此期间，卵母细胞和胚胎只能使用储存的mRNA来合成新的蛋白。因此，母体mRNA的适当储存对于卵母细胞通过减数分裂成熟为可受精的卵子以及受精后早期胚胎发育至关重要。然而，母体mRNA在哺乳动物的卵母细胞（包括人类的卵母细胞）中储存在何处以及如何储存，至今仍是个谜。

RNA通常储存在无膜区室中，这些无膜区室是由蛋白和/或核酸的自发相分离形成的。以前的研究已确定了在非哺乳动物卵母细胞中储存mRNA的不同类型的无膜区室，如秀丽隐杆线虫中的P颗粒和果蝇中的Polar颗粒。因此，在一项新的研究中，来自德国马克斯普朗克多学科科学研究所的研究人员着手确定哺乳动物卵母细胞中潜在的RNA储存区室。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Mammalian oocytes store mRNAs in a mitochondria-associated membraneless compartment”。

这些作者分析了在小鼠卵母细胞中高度表达的RNA结合蛋白的定位。他们发现，RNA结合蛋白ZAR1、YBX2、DDX6、LSM14B和4E-T（EIF4ENIF1）与线粒体共同定位，在细胞质中形成簇集物。相比之下，它们没有与高尔基体、再循环内体（recycling endosome）或溶酶体共同定位，只是部分地与内质网共同定位。此外，他们用RNA荧光原位杂交法对mRNA进行染色，发现它们储存在这种线粒体相关无膜区室中。这种结构域也存在于其他哺乳动物物种的卵母细胞中，包括人类。由于这种结构域与任何已知的含RNA的区室不同，他们将它命名为线粒体相关核糖核酸蛋白结构域（mitochondria-associated ribonucleoprotein domain, MARDO）。

MARDO在线粒体周围的组装是由卵母细胞生长过程中线粒体膜电位的增加引导的。MARDO随着卵母细胞的生长而逐渐出现，并在充分生长的卵母细胞（它们的线粒体也是最活跃的）中变得最为明显。在定位于MARDO中的RNA结合蛋白中，ZAR1在MARDO组装中起主要作用。ZAR1，而不是其他RNA结合蛋白，在过量表达时促进了MARDO灶凝聚成水凝胶样基质。MARDO凝聚推动了线粒体聚集成巨大的簇集物。通过一系列体内和体外实验，这些作者发现ZAR1的非结构化N端结构域对MARDO组装及其与线粒体的结合至关重要。他们通过基因敲除、RNA干扰和Trim-Away剔除ZAR1，发现MARDO的形成和线粒体的聚集都受到损害。通过在Zar1基因敲除的卵母细胞中表达ZAR1，MARDO形成和线粒体聚集得到了恢复。这些结果证实ZAR1对MARDO组装和线粒体聚集至关重要。此外，活细胞成像分析表明ZAR1缺失导致卵母细胞减数分裂成熟期间的纺锤体组装、染色体排列和细胞分裂存在严重缺陷。

小鼠卵母细胞中的MARDO。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abq4835。

MARDO储存了翻译受抑制的mRNA，其中的一些mRNA已知在卵母细胞成熟为可受精的卵子期间或在受精后受到激活并进行蛋白表达。ZAR1丢失不仅破坏了MARDO，而且还导致定位于MARDO中的mRNA过早丢失。母体mRNA需要逐步降解并被从胚胎基因组转录的mRNA所取代，以确保胚胎的正常发育。在从减数分裂I到减数分裂II的过程中，由于ZAR1被蛋白酶体降解，MARDO解体了，这对母体mRNA的及时降解至关重要。

综上所述，在这项新的研究中，这些作者确定了MARDO，即一种线粒体相关无膜区室，在包括人类在内的多种哺乳动物的卵母细胞中储存母体mRNA。他们的数据揭示了MARDO如何协调母体mRNA的储存、翻译和降解以确保哺乳动物的生育能力。RNA结合蛋白ZAR1促进MARDO组装和凝聚成簇集物。MARDO储存翻译受到抑制的mRNA，其中的一些mRNA在发育的后期阶段进行蛋白翻译。ZAR1被蛋白酶体降解驱动MARDO在成熟卵子中解体，以确保母体mRNA的及时降解。

这些数据还揭示了无膜的MARDO和有膜的线粒体之间的物理和功能相互作用，这两者都是母体遗传给后代的，在卵母细胞生长过程中积累。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Shiya Cheng et al. Mammalian oocytes store mRNAs in a mitochondria-associated membraneless compartment, Science, 2022, doi:10.1126/science.abq4835.