DC | 翻译调控因子DDX20在精原细胞中的研究

导读

精子发生由复杂而精密的RNA代谢控制，是所有有性生殖物种中最复杂的发育过程之一，因此需要严格的转录后基因调控机制的协同作用，以确保成功产生功能正常的雄性配子——精子。

RNA结合蛋白（RBPs）是转录后基因调控机制的重要组成部分，在维持细胞稳态方面发挥关键作用，通过协调RNA活动的各个方面，包括运输、定位、稳定性、编辑、剪接、翻译和降解。

RBPs的失调常常导致精子发生异常，特别是当失调的RBPs影响到对精子发生至关重要的基因的翻译活动时（如Dazl、Miwi、Rpl10l和Fxr1）。然而，有关它们在人类男性不育中的参与数据很少，因此需要更多的研究。

DEAD-box（DDX）蛋白构成了已知的调控RNA代谢各个方面的最大家族。迄今为止，已经证明几种DDX解旋酶在精子发生中发挥了重要作用。

DDX解旋酶20（DDX20）是DDX解旋酶家族的一员，是SMN复合体的重要组成部分，介导着用于剪接体组装和功能的小核糖核蛋白（snRNPs）的组装。在生殖系统中，DDX20对调节小鼠卵巢形态和功能至关重要，而DDX20同源蛋白在线虫中也对生殖细胞系的发育至关重要。此外，SMN复合体还参与了小鼠精原细胞的维持，但其潜在的分子机制尚不清楚。

2024年4月23日，中国医学科学院基础医学研究所宋伟团队在Developmental Cell上发表了一篇题为“DDX20 is required for cell cycle reentry of prospermatogonia and establishment of spermatogonial stem cell pool during testicular development in mice”的论文，该研究揭示了DDX20作为翻译调节因子在前精原细胞恢复增殖形成SSC的过程中调控关键的细胞周期相关基因及SSC建立维持相关基因的蛋白质合成中的关键作用。

文章索引

【标题】DDX20 is required for cell cycle reentry of prospermatogonia and establishment of spermatogonial stem cell pool during testicular development in mice

【发表期刊】Developmental Cell

【发表日期】2024年4月23日

【作者及团队】中国医学科学院基础医学研究所宋伟团队

【IF】12.8

研究结果

一. 人类睾丸中有大量RNA结合蛋白优先表达，可能在精子发生中起着关键作用

作者收集了数千个人类RNA结合蛋白，并使用网络分析找到了一些在精子发生中至关重要的蛋白。

这些蛋白主要在精子生成细胞中表达，并在精子发生过程中发挥重要作用，一些在人类睾丸中高表达的蛋白与精子发生和无精子症相关。这些发现有助于更好地理解精子发生，并有望改善男性生育问题的诊断和治疗。

二. DDX20是一种主要在睾丸生精细胞中表达的保守蛋白

DDX20在脊椎动物中高度保守，在人类和小鼠睾丸中表达丰富。实验结果表明，DDX20在睾丸中主要表达，并且随着发育水平增加。

睾丸单细胞RNA测序数据显示，Ddx20 mRNA主要在精子生成细胞中表达，特别是在圆形精子中。免疫组化和免疫荧光成像证实了DDX20在不同类型精子生成细胞中的表达。这些结果强调了DDX20在精子发生中的重要性。

三. DDX20在小鼠中对于精原细胞周期再进入和第一波精子发生至关重要

团队通过交叉杂交得到了雄性生殖细胞特异性的Ddx20条件性敲除小鼠(Ddx20 DcKO)，其雄性小鼠全部不育，而雌性小鼠生育能力降低。成年Ddx20 DcKO小鼠的睾丸显著较对照组小鼠为小，尾鞭毛中未检测到精子。

在发育早期，精原细胞数量相当，但到了P21时，Ddx20 DcKO小鼠的睾丸中几乎完全缺乏精原细胞。研究显示Ddx20 DcKO小鼠的精原细胞周期再进入失败，最终导致精原细胞丧失，这些结果证实了DDX20在精子发生中的重要性。

四. DDX20失活导致精原细胞的转录组变化

DDX20缺失导致了P4时精原细胞转录水平的变化，表明了与细胞周期和DNA复制相关的基因的下调以及与细胞应激和蛋白定位相关的基因的上调。虽然DDX20与一些靶标RNA结合，但其失活并未显著影响这些靶标的稳定性或选择性剪接，表明DDX20可能在精原细胞的胞质中扮演着未知的角色。

五. DDX20调控翻译

作者通过共免疫沉淀实验和质谱分析发现，DDX20与大量核糖体和翻译相关蛋白质相互作用，表明其可能调控mRNA的翻译。

进一步验证显示，DDX20与核糖体/翻译相关蛋白质相互作用，而且这种相互作用不依赖于RNA。他们还通过原位近距离连接实验验证了DDX20和核糖体蛋白质之间的物理相互作用。

此外，通过细胞系和体内实验，发现DDX20调控蛋白质合成的速率，进一步证实其作为核糖体相关蛋白质的重要性。

六. 敲除DDX20损害了精原细胞中一部分与细胞周期相关的基因的翻译

作者使用了Ribo-seq在Ddx20-DcKO精原细胞中进行了核糖体测序，结果显示DDX20的敲除导致了一组基因的翻译水平下调，特别是与细胞周期和干细胞维持相关的基因在这一下调中占据了重要位置。

研究团队进一步进行了转录组学和蛋白质组学分析，发现在某些基因中，尽管翻译水平上调，但蛋白质水平却下调。这表明DDX20通过影响翻译过程来调节细胞功能和蛋白质水平，为维持精原细胞功能和干细胞维持提供了关键支持。

总结

RBPs在睾丸中丰富表达，但与男性不育相关的RBPs大多未知。本文确定了62个潜在的RBPs，包括一个保守的RBP，DDX20。在小鼠中，Ddx20的特异性失活导致T1-ProSG无法重新进入细胞周期，从而无法形成SSC池。DDX20通过与翻译机制中的关键组分相互作用，控制其靶mRNA的翻译。

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