撰寫 | 十一月
在哺乳動物中，染色體決定了體細胞的性別，而在發育中的生殖細胞中，染色體又分別激活了卵子發生和精子發生過程。在小鼠的胚胎髮育過程中，胚胎期E12.5天后，小鼠的生殖細胞開始在胚胎的卵巢或者睪丸中定植【1】。關於此發育過程普遍認同的假說是，在雌性中視黃酸（Retinoic acid, RA）誘導STRA8的表達，STRA8是卵原細胞獲得卵子發生的細胞命運並進入減數分裂的前期相關因子；而在雄性中，RA則被胚胎支持細胞中的CYP26B1降解，被胚胎支持細胞包裹的前精原細胞隨後進入精子發育信號過程【2,3】。哺乳動物的有性生殖依賴於男性和女性生殖細胞的分別發育，但其潛在機制尚不清楚。
近日，日本京都大學Mitinori Saitou研究組在Science發表文章ZGLP1 is a determinant for the oogenic fate in mice，發現具有GATA樣鋅指結構的保守轉錄調節因子ZGLP1決定了小鼠卵子發生的細胞命運。
關於此假說，最近有體外的研究分析發現，RA以及STRA8的表達並不足以誘導小鼠原始生殖細胞類似細胞（mouse primordial germ cell-like cells, mPGCLCs）獲得卵子細胞命運，mPGCLCs來源於小鼠胚胎幹細（mouse embryonic stem cells, mESCs）。Mitinori Saitou研究組在先前的研究中發現，在胚胎顆粒細胞中高表達的BMP【4,5】和RA協同控制mPGCLCs細胞中卵子發生發生以及減數分裂過程【6】。RA在原始生殖細胞發育過程中發揮的是抑制作用，其參與到胚胎多能性的轉錄因子網絡之中，與RA在幹細胞分化過程中的作用是相輔相成的。由此，這些發現驅動了一個卵子發生信號通路的基本信號通路框架，也提出了一個可能的系統性分析的思路。
為了鑑定出參與到卵子命運決定過程中的轉錄因子，作者們利用體外的培養的mPGCLCs細胞系統通過RNA-seq技術，篩選到了響應BMP並上調的一些轉錄因子。考慮到其中一些基因與減數分裂起始過程相關【7】，因此作者們挑選了8個基因（Dazl, Gata2, Id1, Id3, Msx1, Msx2, Stra8, Zglp1）進行進一步地研究。這8個基因中的一個或者多個可能是BMP的效應因子，與RA一起誘導卵子細胞命運發生。作者們採用了從8個基因中每次挑選7個組合的方式進行過表達的誘導，發現只有在缺少Zglp1過表達的情況下，分化成卵母細胞類似細胞的數量大大降低（SYCP3+細胞）（圖1）。因此作者們認為，Zglp1可能是在卵子細胞命運決定過程中發揮關鍵作用的因子。
圖1 七基因一組進行研究只有在缺少Zglp1的情況下，SYCP3+卵母細胞類似細胞的數量顯著降低
先前有研究發現，Zglp1表達在性腺中的體細胞之中而非生殖細胞之中，但是對卵子發生和精子發生過程都非常關鍵。但是通過RNA-seq和免疫染色分析，作者們發現，在胚胎時期Zglp1/ZGLP1特異性地、瞬時性地表達在雌性生殖細胞中DDX4+的細胞之中（E12.0-E14.5），但是在此時間段中Zglp1/ZGLP1沒有表達在體細胞和雄性生殖細胞之中，而此階段正是生殖細胞性別決定的關鍵時期【1】。而且，ZGLP1先於SRTA8一天表達。Zglp1-/-比Stra8-/-的表型更加嚴重，Zglp1-/-成年個體中精子過程有著嚴重的缺陷並且不育。總結來說，Zglp1對於激活雌性卵細胞發育包括減數分裂前期起始等在內的過程非常關鍵，而在雄性細胞性別決定過程中Zglp1並不是決定性因素，但是對於精原細胞減數分裂前期的有效完成是必須的。
進一步地，作者們希望對Zglp1的功能和調控機制進行研究。作者們通過在不同的培養條件下（指RA和BMP的不同組合），發現Zglp1在BMP誘導後上調，但是單獨的RA誘導則沒有上調。因此，作者們認為，Zglp1是BMP信號通路的下游效應因子。在mPGCLCs中單獨過表達ZGLP1會上調與卵子命運決定以及與進入減數分裂相關的基因，而且會以劑量依賴的方式誘導SYCP3+的細胞產生。而且，ZGLP1在缺乏RA的情況下足以參與卵子命運決定過程，可以分別以依賴RA或者不依賴於RA的方式激活卵子發生以及減數分裂相關的基因，而RA的存在會促進RAR介導的信號通路轉錄調節。與對照組相比，mPGCLCs過表達ZGLP1會上調489個基因，通過基因本體論分析後發現這些基因主要與卵細胞命運決定相關，比如卵子發生、減數分裂細胞週期以及piRNA代謝過程等等。而過表達ZGLP1後，也會下調294個基因，其中包括轉錄調節相關基因以及糖酵解過程相關基因。因此，BMP信號通路和ZGLP1在卵子命運決定過程中發揮著核心作用，而RA協助卵子發生的成熟過程，包括抑制原始生殖細胞程序。
另外，作者們想要比較一下Zglp1與Stra8功能上的不同，因而分別建立了純合敲除小鼠胚胎幹細胞品系。作者們發現，Zglp1-/-胚胎幹細胞可以正常分化出mPGCLCs，但是在BMP和RA的刺激下Zglp1-/- mPGCLCs不能建立減數分裂前DNA複製過程，也不能分化產生SYCP3+的卵母細胞類似細胞。而且，Zglp1在Stra8-/-中表達不受影響，但是Stra8/STRA8在Zglp1-/-中減少到不足一半。因此，Zglp1廣泛影響卵細胞發生過程中的基因表達，而Stra8可能是作為Zglp1下游因子發揮作用的。通過進一步的ChIP-seq的實驗，作者們發現ZGLP1激活的卵子發生過程中的關鍵基因主要是處於被表觀遺傳修飾的靜息狀態/抑制狀態的位點。
圖2 ZGLP1參與卵子發生過程的工作模型
總的來說，Mitinori Saitou研究組的工作篩選到了一個新穎的、參與卵子發生過程命運決定的、保守的轉錄因子ZGLP1，並且發現ZGLP1作為BMP而非RA的下游效應因子對卵細胞發生過程以及減數分裂細胞週期的進入非常關鍵（圖2），為進一步揭開生殖細胞性別決定機制以及對不育方面相關的疾病機理的解析提供了重要的理論基礎。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/02/12/science.aaw4115/tab-pdf
參考文獻
1. Spiller, C., Koopman, P. & Bowles,J. Sex Determination in the Mammalian Germline.Annu Rev Genet 51,265-285, doi:10.1146/annurev-genet-120215-035449 (2017).
2. Bowles,J. et al. Retinoid signalingdetermines germ cell fate in mice. Science 312, 596-600, doi:10.1126/science.1125691(2006).
3. Baltus,A. E. et al. In germ cells of mouseembryonic ovaries, the decision to enter meiosis precedes premeiotic DNAreplication. Nat Genet 38, 1430-1434,doi:10.1038/ng1919(2006).
4. Yao,H. H. et al. Follistatin operatesdownstream of Wnt4 in mammalian ovary organogenesis. Dev Dyn 230, 210-215,doi:10.1002/dvdy.20042 (2004).
5. Jameson,S. A. et al. Temporal transcriptionalprofiling of somatic and germ cells reveals biased lineage priming of sexualfate in the fetal mouse gonad. PLoS Genet 8, e1002575,doi:10.1371/journal.pgen.1002575 (2012).
6. Miyauchi,H. et al. Bone morphogenetic proteinand retinoic acid synergistically specify female germ-cell fate in mice. EMBO J 36, 3100-3119, doi:10.15252/embj.201796875 (2017).
7. Lin,Y., Gill, M. E., Koubova, J. & Page, D. C. Germ cell-intrinsic and-extrinsic factors govern meiotic initiation in mouse embryos. Science 322, 1685-1687, doi:10.1126/science.1166340 (2008).
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