专访生殖遗传领域青年学者——苟兰涛研究员

高度分化的两性配子经受精作用及其后一系列生物学事件形成受精卵,如此便诞生出新的生命。受精前的配子发生、受精后父母本基因组重编程以及紧随其后的合子基因组激活等生殖遗传过程存在复杂精细的RNA调控及染色质重塑调控。全面解析这些调控机制能够深入理解早期胚胎发生发展,并对回答生命起源基本问题、寻找生殖遗传过程中人类疾病的治疗靶点、发展生殖医学及辅助生殖技术等具有重要意义。本期我们有幸采访到生殖遗传领域青年专家苟兰涛研究员,为我们分享他的科研经历以及对RNA、染色质调控与生殖遗传研究领域的分析。

四氢呋喃水合物零度以上生成动力学研究

四氢呋喃(THF)与水生成的水合物在很多性质上与天然气水合物类似,但相对天然气水合物低温高压苛刻的生成条件,THF水合物在常压下和0℃附近时就可以生成(其平衡温度为4.4℃)。通过实验观察THF水合物生成过程,分析其生成条件,研究其在0℃附近和不同浓度(四氢呋喃溶液浓度)的生成动力学规律,同时将扩散过程和反应过程进行联合,对传质结晶面积进行指数修正,并用实验所得液相浓度关系式确定模型中的液相主体浓度,建立了THF生成动力学的理论模型并作了验证。

人Piwi基因突变致男性不育的机制研究

大量遗传学研究表明,Piwi蛋白对于动物生殖系细胞发育具有至关重要的作用,Piwi基因敲除致动物不育。人Piwi(Hiwi)基因特异性地在雄性生殖细胞表达,但目前对其在人精子发生中的作用及其与男性不育的联系还知之甚少。该研究通过筛查临床男性不育样本发现,少弱精症患者Hiwi基因中存在拮抗泛素化修饰的D-box元件突变;通过构建基因敲入小鼠模型证实,该突变导致雄性不育。机制研究表明,小鼠Piwi(Miwi)D-box突变致MIWI蛋白异常稳定存在于后期精子细胞中,导致与其相互作用的组蛋白泛素连接酶RNF8(ring finger protein 8)被扣留于细胞质、不能入核催化组蛋白泛素化修饰,进而抑制组蛋白被鱼精蛋白替换,引发精子形成异常、雄性不育。该研究发现了男性不育的一类新型致病基因突变,并发现了Piwi蛋白具有调控组蛋白泛素化修饰的新功能,揭示了精子形成中调控组蛋白–鱼精蛋白转换的重要机制。

RNA的免疫共沉淀分离及检测

非编码RNA的发现使得RNA领域再次成为了生命科学研究关注的焦点。因为RNA是一种不稳定的生物大分子,绝大多数的RNA都需要与特定的RNA结合蛋白质结合形成RNA/蛋白复合物才能稳定存在于细胞中;不仅如此,RNA与RNA结合蛋白之间的动态关联贯穿和伴随了RNA的转录合成、加工和修饰、胞内运输和定位、功能发挥及降解的整个生命循环。鉴于此,利用RNA结合蛋白分离或发现鉴定功能性RNA分子是RNA研究领域中一个不可或缺的研究方法。简单地说,就是利用RNA结合蛋白的抗体免疫沉淀RNA/蛋白复合物,再从沉淀的RNA/蛋白复合物中分离得到特定RNA结合蛋白的RNA;分离得到的RNA可以通过末端标记和变性胶电泳对RNA分子的大小进行鉴定,也可以利用高通量RNA测序方法对RNA序列进行分析。

非编码RNA研究技术概述

非编码RNA是当前生命科学研究领域的前沿热点。系统地研究生物体内非编码RNA的起源、结构、功能和作用机制,有助于我们更加全面、深入地了解基因表达调控机理及生物体的生命活动,而科学问题的解答依赖于实验技术和实验方法的创新和革命。本文按不同的实验目的和研究内容,就当前非编码RNA领域内主要的研究策略和方法技术作一简述。

PIWI/piRNA“机器”与雄性生殖细胞发育

PIWI(P-element-induced wimpy testis)蛋白在动物生殖系细胞中特异性表达,为动物生殖细胞发育分化所必需。piRNA(PIWI-interacting RNAs)是最近在动物生殖系细胞中发现的一类非编码小分子RNA,这类小RNA特异性地与PIWI家族蛋白相互作用。PIWI/piRNA"机器"通过沉默转座元件和调控编码mRNA等方式在动物生殖细胞发育分化过程中发挥重要作用。本文围绕PIWI/piRNA"机器"的生物学功能及分子机制,对近期取得的相关研究进展进行了系统性总结。

小分子RNA抵御转座元件对基因组的侵袭

真核生物在漫长的进化繁衍过程中,一直处在抵御转座元件对基因组侵害的"斗争"中。在过去的十多年中,越来越多的证据指明,小分子RNA扮演了这样一个抵御转座子侵袭的角色。尽管这种抵御侵害的策略对于不同物种各具特点,但它们都呈现出惊人相似的共同特征。基本上,所有的机制都包含三个组成部分:首先,转座元件促使产生小分子RNA,在某些物种中主要是Piwi-interacting RNAs,而在其他物种中主要是small interfering RNAs;第二,作用于活跃转座子的小分子RNA通过RNA依赖性RNA聚合酶或切割机制进行扩增;第三,这些小分子RNA与含有Argonaute蛋白或Piwi蛋白的效应复合物相结合,从而作用于目标转座子的转录本,实现转录后沉默,或作用于目标转座子DNA,抑制染色质修饰和DNA甲基化。这些属性特征构成了一个限制由转座元件活动所造成的严重后果的系统,从而防止转座子侵袭所带来的突变积累,基因表达谱的改变,以及生殖腺发育不良和不育。

精子形成中的表观遗传调控

精子形成是指单倍体球形精子细胞分化发育成为精子的过程。这一连续进程包含一系列复杂的生化事件和剧烈的形态变化,涉及顶体和尾部形成、组蛋白-鱼精蛋白转换、细胞核压缩和细胞质丢弃等。近期研究发现,表观遗传调控在精子形成过程中发挥重要作用,对确保精子细胞正常发育和精子生成至关重要。现总结近期的相关研究进展,从DNA甲基化和组蛋白修饰两个方面简介精子形成过程中的表观遗传调控功能和机制。