翻譯作為基因表達調控的重要一環在發育過程中起到了關鍵的作用。在哺乳動物卵子和早期胚胎發育的過程中，從完全生長的初級卵母細胞（full-grown oocyte，FGO）開始直至合子基因組啟動之前，細胞的轉錄基本處於沉默的狀態。囙此，在卵子向胚胎的轉變過程中（oocyte-to-embryo transition，OET），翻譯調控在卵子的減數分裂恢復過程、受精、DNA複製過程和合子基因組啟動（zygotic genome activation，ZGA）都起到了重要作用。然而由於實驗資料的稀缺，哺乳動物卵子和胚胎中的翻譯研究一直相對困難。
6月13日，清華大學生命學院頡偉教授課題組與中國科學院動物研究所李磊教授課題組在《自然·細胞生物學》（Nature Cell Biology）期刊發表了題為“基於超靈敏Ribo-seq的卵子向胚胎轉換過程及著床前胚胎的翻譯組研究”（Ultrasensitive Ribo-seq reveals translational landscapes during mammalian oocyte-to-embryo transition and pre-implantation development）的研究論文。該研究開發了超靈敏翻譯組檢測方法Ribo-lite，繪製了卵子向胚胎轉換過程和著床前胚胎的翻譯組動態變化，並研究了卵子中的翻譯調控機制。這一研究有助於我們進一步理解在發育早期翻譯水准的基因表達調控，該研究中發明的超靈敏翻譯組方法也為其他稀缺樣品的翻譯組研究提供了可能。
早期研究者使用多核糖體圖譜方法（polysome profiling）和Ribo-tag等方法對小鼠卵子和一細胞合子的翻譯組進行了量測，而基於核糖體保護片段的Ribo-seq方法則由於所需樣品數量過多無法應用於哺乳動物卵子和早期胚胎當中。在該研究過程中，作者通過開發高靈敏的Ribo-seq方法——Ribo-lite，實現了在少量細胞水准的基於核糖體保護片段的翻譯組的量測（最少50個HEK293細胞或是單個卵子），並利用該科技系統地檢測了小鼠卵母細胞和早期胚胎發育過程中的翻譯組的動態變化。
小鼠卵子以及早期胚胎的翻譯組動態變化以及調控
研究人員發現，在卵子和ZGA前的胚胎當中，翻譯組與轉錄組的偶聯性相對較低，而在ZGA後的胚胎中，兩組數據則變得緊密相關。有兩類基因受到了明顯的翻譯水准的調控，分別是OET上調基因和OET下調基因。OET上調基因在FGO中翻譯被抑制，並且維持著很短的poly（A）尾長。這些基因中的3’UTR常含有兩個及以上的多聚腺苷酸化訊號位點（polyadenylation signal site，PAS）近端胞質多聚腺苷酸化元件（PAS-proximal CPEs，papCPE），並且在報告基因實驗中顯示出對該元件的依賴。而伴隨著減數分裂的恢復，這些基因的poly（A）尾被延長，翻譯也隨之啟動。OET下調基因則在FGO卵子時期高翻譯並有著長poly（A）尾，而隨著減數分裂的恢復被翻譯抑制，poly（A）尾也被縮短。這種翻譯抑制部分是通過去腺苷酸化因數BTG4和CNOT6L調控的。它們中的許多基因含有non-papCPE或者沒有CPE。這些基因中poly（A）尾在MII卵子中被去的很短的呈現出mRNA訊號的下降，而poly（A）尾相對沒有被去的那麼短的RNA則保持相對穩定，其中部分在ZGA前重新被翻譯啟動，暗示可能參與ZGA和母源RNA的降解。
綜上所述，該研究系統研究了卵子和早期胚胎中的翻譯組動態變化，發現了卵子向胚胎轉化過程中存在著大量的翻譯調控事件，探討了翻譯、RNA水准和poly（A）尾長水准之間的相互關係，以及去腺苷酸化因數在卵子翻譯組中發揮的功能，為進一步研究哺乳動物卵子和早期胚胎發育的基因表達調控奠定了基礎。
清華大學生命科學學院頡偉教授和中國科學院動物研究所李磊教授為本文的共同通訊作者，清華大學生命學院PTN項目（北京大學、清華大學和北京生命科學研究所聯合培養博士研究生項目）2016級博士生熊竹清，北京大學CLS項目（生命科學聯合中心博士研究生項目）2017級博士生許鍇，清華大學CLS博士後林自力（現為北京農學院副教授），頡偉課題組科研助理孔鳳，清華大學CLS博士後王秋軍和李磊課題組2016級博士生全裕軍為本文共同第一作者。江蘇省農業科院畜牧研究所王慧利副研究員，清華大學生命學院鄧海騰課題組、楊雪瑞課題組和浙江大學範衡宇課題組也在該工作中給予了大力的支持和幫助。中國科學院遺傳與發育生物學研究所陸發隆研究員、劉玉勝博士和聶虎博士也在PAIso-seq實驗和分析中給予了大力支持。
該課題得到了清華大學實驗動物中心，生物醫學測試中心基因測序平臺以及計算平臺的大力協助和支持。該研究獲得了國家科技部重點研發計畫、國家重點基礎研究發展計畫（973計畫）、國家自然科學基金委傑出青年基金、北京市科技計畫、清華北大生命科學聯合中心以及美國霍華德休斯醫學研究所國際研究學者（HHMI International Research Scholar）的經費支持。
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