生殖细胞发育与凋亡调控的分子机制

生殖发育的研究对于促进人类生殖健康和减少出生缺陷有着重要意义。其研究内容涵盖很多复杂科学问题。细胞凋亡在动物发育中普遍存在，其作用并不是很清楚。生殖细胞发育与凋亡调控的分子机制在进化过程中从线虫、果蝇到哺乳动物均相当保守。在模式生物中进行生殖发育过程分子机制的研究，将直接促进对人类相关疾病发生机制的理解，并寻找潜在的治疗靶点。重点实验室从早期生殖细胞的形成、生殖细胞的迁移、生殖干细胞的命运决定、生殖细胞分裂分化到细胞凋亡，对生殖发育关键过程的分子机制进行了系统、深入的研究，取得了一系列原创性成果。

生殖细胞命运决定完成之后，生殖细胞进入快速生长和分裂分化期。细胞为了维持正常的生长和分裂需要合成大量的蛋白质、脂类。脂类代谢是如何影响生殖细胞的生长和分裂分化并不清楚。过氧化物酶体是所有真核生物都具有的单层膜细胞器，负责参与脂类代谢，尤其是极长链脂肪酸（VLCFAs）的代谢。过氧化物酶体的生成受一系列Peroxin蛋白调控。在人中影响Peroxins合成和功能的突变体都会导致过氧化物酶体生成缺陷，进而引起一类统称为过氧化物酶体生成综合症（PBD）的疾病，并伴有极长链脂肪酸的积累。研究发现果蝇的peroxin（pex）突变影响精母细胞的生长以及分裂。发现果蝇的pex基因突变能很好的模拟人类PBD疾病的特征，包括向过氧化物酶体内部转运蛋白功能的削弱，VLCFAs在体内的大量聚积以及发育迟缓等。pex突变还导致精母细胞分裂障碍，而通过遗传学方法减少VLCFAs的合成能够部分抑制这种表型。因此pex基因是果蝇精子发生所必需的，在pex突变体中VLCFAs的大量积累会导致果蝇精母细胞生长和细胞分裂缺陷。这些结果表明极长链脂肪酸的代谢平衡对于生殖细胞的发育至关重要。该研究论文发表在Human Molecular Genetics（2010, 19: 494-505）。

除此之外，研究还发现参与胆固醇转运和囊泡运输的氧化固醇结合蛋白OSBP突变体果蝇由于在精子发生的个体化过程发生缺陷导致不能产生成熟的精子从而引发雄性不育。研究更进一步地证明了OSBP与睾丸特异表达的内质网蛋白FAN在精子发生过程中的遗传学相互作用以及蛋白之间的直接相互作用。当osbp突变体摄取额外的固醇类物质后，雄性osbp突变体部分恢复了育性，提示我们osbp突变体是由于缺乏固醇而导致精子发生过程中个体化过程的失败。以上的结果表明了胆固醇在果蝇精子发生过程中的重要生理学功能。该研究论文发表在Development（2010, 137: 3775-3784）。

细胞凋亡是一个在低等生物与高等动物之间都非常保守的过程，它对生殖发育、器官发生以及组织的动态稳定十分重要。目前已知凋亡激活过程主要需要四个凋亡因子，包括EGL-1/BH3-only，CED-9/Bcl2，CED-4/Apaf-1 和CED-3/Caspase, 它们的基因突变会使细胞免于凋亡。除此之外，是否仍有其他因子参与凋亡的激活还知之甚少。以秀丽线虫为模式，通过大规模的RNAi筛选，发现了一系列参与细胞凋亡的调控的新基因。揭示了凋亡细胞清除过程中吞噬受体的调控机制。

研究发现吞噬受体从吞噬小体上的释放需要一个在细胞内部负责蛋白质逆向运输的复合体--Retromer的参与。当Retromer复合体的各个亚基发生突变后，线虫体内凋亡细胞的数量显著增加。进一步研究发现，Retromer复合体主要通过吞噬受体CED-1来发挥作用。当凋亡细胞被吞噬时，吞噬细胞膜上的吞噬受体CED-1随着凋亡细胞一起内陷进入到吞噬小体上。而后Retromer复合体可能通过与CED-1的蛋白质直接相互作用，使CED-1从吞噬小体上释放并重新回到吞噬细胞的细胞膜上，从而使该受体得以循环利用。当Retromer发生功能缺失性突变时，CED-1将与吞噬小体一起被运送到溶酶体而被降解，造成吞噬细胞上的受体缺乏并引起凋亡细胞的清除障碍。该项研究首次发现了凋亡细胞吞噬受体的一种调控机制，并揭示了retromer复合体参与凋亡细胞清除这一新功能，该研究论文发表在Science (2010, 327: 1261-1264)。并且在Science Signaling上列为Editor Choice以及得到Nature China的评论。

此外，通过生化研究还发现一个在线虫中参与凋亡激活的新因子，即腺苷酸转位酶1(worm adenine nucleotide translocase 1, WAN-1)。WAN-1可以与CED-9和CED-4形成复合体，凋亡起始因子EGL-1可以破坏该复合体进而激活凋亡通路。研究表明WAN-1定位于线粒体中，其功能缺失突变可影响线虫的发育而导致线虫死亡。wan-1表达量的降低或增加可分别抑制或诱导生殖细胞凋亡。WAN-1与人类腺苷酸转位酶1(ANT1)同源，因而该研究不仅揭示了线虫中WAN-1在程序性细胞死亡中的调控作用，而且对进一步认识哺乳动物细胞凋亡过程中ANT1的作用机制有着重要的参考意义。由于WAN-1/ANT还是一个重要的凋亡调控因子，它可能为肿瘤、神经退行性疾病等的治疗提供潜在的药物靶点。该研究论文发表在Molecular and Cellular Biology（2009, 29: 3881-3893）。

基因组的稳定性对于多细胞生物的发育、组织和器官的动态平衡至关重要。基因组失稳与肿瘤等多种疾病的发生紧密相关。DNA损伤是诱发基因组失稳的主要因素。当DNA损伤发生后，细胞通过一系列的应答反应，包括细胞周期停滞，DNA修复以及细胞凋亡等，使基因组的稳定性得以维持。这些应答反应需要多种调控因子的参与。蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT)通过甲基化修饰不同的蛋白质底物而参与调控细胞的多种重要生命活动，其中包括DNA修复等。但PRMT在细胞对DNA损伤的其它应激反应如细胞凋亡过程中是否发挥作用，目前尚知之甚少。研究发现哺乳动物II型蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT5在线虫中的同源物，即线虫的PRMT-5，参与调控DNA损伤引起的细胞凋亡。发现在prmt-5基因缺失的突变体中，DNA损伤可诱导过量的生殖细胞凋亡。这一过量细胞凋亡缘于依赖于转录因子CEP-1(线虫中肿瘤抑制因子p53的同源物)的凋亡起始因子EGL-1(促凋亡因子Puma和Noxa等的同源因子)的表达上调。该研究进一步发现哺乳动物细胞的转录协助因子p300在线虫中的同源蛋白CBP-1也参与了prmt-5突变体中egl-1的过量表达。蛋白质互作分析发现PRMT-5可与CEP-1和CBP-1形成复合体，并能够甲基化修饰CBP-1。因此PRMT-5可能通过CBP-1对CEP-1的转录活性进行负调控, 从而使有机体避免在DNA损伤后发生过量生殖细胞凋亡。前人发现PRMT5在多种肿瘤细胞中表达量增高，但其与肿瘤发生之间的因果关系还甚为模糊。因此，这一研究结果将为人们深入了解蛋白质精氨酸甲基转移酶在肿瘤发生中的作用机制提供新的思路。该研究论文发表在PLoS Genetics（2009, 5: e1000514）。