精子发生:减数分裂后的转录后调节

真核细胞基因的表达在不同的水平被调节,细胞核染色质结构的改变和DNA甲基化对基因转录的时空具有调控作用。包括睾丸在内的许多组织虽然转录的时间经常是由基本的基因表达调控子调控,但在雄性生殖细胞许多蛋白质合成的实际时间常依赖于转录后的mRNA加工活动。转录后调节对于促使精子发生的完成极其重要,因为与其他任何一种真核细胞相反,在雄性生殖细胞其核转录停止于精子形成的中期,在雄性生殖细胞成熟的晚期,合成的大量精子细胞蛋白质和精子蛋白质需要mRNA保存其翻译的活性,精子的许多结构蛋白质和同源蛋白质分子均是在这种转录后调控的作用下产生的。

在真核细胞mRNA被转录后,经过了许多重要的修饰过程。这些包括去除内含子、在尾部连接多聚腺嘌呤并在翻译之前转运到特定的胞质部位。虽然对调控剪接、转运和稳定减数分裂后雄性生殖细胞mRNAs的机制了解甚少,但已初步揭示了哺乳类精子形成中调控多聚腺苷酸化、转译和mRNA定位的机制。

生精细胞减数分裂后许多mRNAs在转译中脱腺苷化

在许多种属卵细胞中mRNAs的多聚腺苷酸化常与储存的mRNAs的活性相关。在睾丸,同样多聚腺苷酸尾出现在许多编码蛋白的mRNAs中,如乳酸脱氢酶C和细胞色素Cs基因,这些基因在减数分裂期时表达,表达的mRNAs储存一直到生精细胞减数分裂后才翻译。在精子形成中许多mRNAs的时序调节和翻译调节均根据翻译的活性缩短多聚腺苷酸尾的长度,例如:编码TP1、TP2、P1、P2及线粒体荚膜含硒蛋白(mitochondrial capsule selenoprotein)的翻译过程均比较长并基本相同,即它们均含有130个腺苷组成的多聚腺苷酸尾,在其附于多聚核糖体时,部分的脱腺苷化(Deadenylation)使mRNAs变短和出现异质性。这5种mRNAs是睾丸特有的并最先在球形精子细胞转录。在转录后内含子被移去,并被作为成熟的和具有潜在功能性mRNAs储存在球形精子细胞的胞质中直到其在精子发生过程的晚期翻译。从mRNAs储存到翻译在小鼠超过7d,并且TP1和TP2的翻译活性早于P1和P2的翻译活性,但目前尚不清楚部分脱腺苷化在这些mRNAs活性中的作用。

睾丸聚腺苷酸结合蛋白

聚腺苷酸尾的长度发生改变,其可能性是不同的蛋白质结合在mRNAs的3′端非翻译区,在这些蛋白质中,一个广泛被表达的蛋白质是聚腺苷酸结合蛋白(poly A binding protein,ABP),相对分子质量大约70 000。比较酵母、人类、小鼠、非洲爪蟾和果蝇编码ABP的cDNA序列,在高保守蛋白中含有靠近其氨基末端4个RNA结合区域,该区域能与25个聚A相结合。这种蛋白与RNA的相互作用能稳定mRNAs,通过调节聚腺苷酸尾和60s核糖体亚单位的相互作用以增强其翻译,并作用于聚腺苷酸特异核酸酶,促使聚腺苷酸缩短。

ABP mRNA水平在精子发生的过程中发生明显改变,在减数分裂前期生精细胞中,ABP mRNA低水平表达,而高水平的ABP mRNA出现在减数分裂的细胞和早期减数分裂后细胞。虽然ABP mRNA在圆形精子细胞的水平最高,变长的精子细胞ABP mRNA水平却很低。在蛋白质水平,ABP广泛分布在哺乳类动物睾丸中,圆形精子细胞中水平最高。在减数分裂过程中,ABP水平增高,在大鼠达到最高水平是在精子细胞Ⅶ~Ⅷ期。这阶段恰好位于核浓缩和变长之前,ABP持续较高的表达水平直至精子细胞的XIV~ⅩⅤ期,提示ABP是一个稳定的蛋白质,因为在这些细胞中含很少的ABP mRNA。ABP亚细胞的分布类型在种属之间变化很大,海胆胚胎含大量游离ABP,而非洲蟾蜍胚胎中绝大部分的ABP与mRNAs结合。

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