雌性哺乳动物的一生中只能提供有限数目的卵子。卵子的DNA甲基化水平很低，只有精子和绝大部分终末分化的体细胞的DNA甲基化水平的一半左右。哺乳动物卵母细胞的出生后生长伴随着DNA甲基化的逐渐增加，这主要由DNMT3A（一种新的DNA甲基转移酶1，2）介导。不像精子和大多数体细胞的基因组，卵母细胞基因组在转录惰性区域2-4被低甲基化。然而，卵母细胞的这种独特特征是如何确定的，以及它对早期胚胎发育能力的贡献在很大程度上仍然是未知的。
中科院生物物理研究所朱冰课题组发现了卵细胞基因组DNA甲基化水平正常建立的首个保障因子Stella。相关的论文于近日刊登在《自然》上。
Nature显示：发现了卵细胞基因组DNA甲基化水平正常建立的首个保障因子Stella，而异常甲基化对卵子发生过程的干扰不大，却将严重影响成熟卵子的质量和受精后二细胞期胚胎的母源基因组激活。
图自：nature
在此，研究证明了Stella（一种雌性受精所必需的因子）在小鼠卵母细胞形态形成中的重要性。缺乏Stella的卵母细胞在基因组范围内获得过量的DNA甲基化，包括在非活性基因的启动子中。这种异常的高甲基化部分由两细胞期胚胎遗传，并损害合子基因组的激活。机械上，Stella的缺失导致DNA甲基化调节剂UHRF18，9的异位核蓄积，从而导致维持性DNA甲基转移酶DNMT1在核中的错位。遗传分析证实了UHRF1和DNMT1在恒星缺乏卵母细胞产生异常DNA甲基中的主要作用。因此，Stella通过防止DNMT1和UHRF1介导的DNA甲基化异常来保护独特的卵母细胞表观基因组。然而，人们对卵子的这种独特的DNA甲基化状态是怎样形成的、受哪些因子调控，又有怎样的生物学意义却并不清楚。
在科学界，啮齿类动物无疑是最常见的测试对象，在美国，多达 95% 的动物研究是在啮齿类动物身上进行的，而小鼠极具代表性
图自：pexels
研究人员曾从小鼠卵细胞的cDNA文库中筛选鉴定到一个新型的DNA甲基化调控基因Stella。此次，研究人员探索了Stella在卵母细胞成熟过程中的功能，发现Stella通过一个主动的出核转运过程，能防止UHRF1在卵母细胞核内累积。Stella敲除雌鼠的卵母细胞出现了异常的UHRF1核内累积、过度的DNA甲基化，并使成熟的卵子基因组甲基化水平翻倍，达到了与精子DNA甲基化相仿的水平。该研究则发现了保障卵子这一独特的甲基化状态的首个调控因子。
图自：xianjichina.com
此外，该研究发现Stella缺失导致的异常高甲基化主要发生在沉默的基因组区域，严重影响了成熟卵子的质量和受精后二细胞期胚胎的母源基因组激活。因此，母源基因组特有的甲基化谱对于发育至关重要，同时揭示了卵子这一独特的基因组低甲基化状态的生物学意义。
同时研究还发现，在Stella缺失的卵细胞中发生的异常甲基化是由DNMT1负责催化的。这一发现改写了教科书对DNA甲基化酶的分类。更重要的是，它对DNMT1在体内多种已退出细胞周期的细胞类型（例如卵母细胞和神经元）中的高表达提供了功能解释的线索，对DNMT负责的DNA甲基化在衰老过程中的意义有着重要的启示。Stella的表达是高度细胞性和发育阶段特异性的10，11，然而，Stella在体细胞中的异位过表达通过与UHRF112的强烈相互作用导致DNA脱甲基(扩展数据图1A)。由于Stella（也称为Dppa3或PGC7）和Uhrf1在整个卵子发生过程中都高度表达（扩展数据图1B），因此我们询问Stella是否调节小鼠卵母细胞中的UHRF1。Stella在5、10、15日龄雌性小鼠的生长卵母细胞(分别为D5、D10和D15的生长卵母细胞)中显示出基本均匀的细胞分布，D20后细胞核中Stella相对富集。
A:Stella在体细胞中的异位过表达通过与UHRF112的强烈相互作用导致DNA脱甲基
B:Stella和Uhrf1在整个卵子发生过程中都高度表达
图自：nature
此前的研究表明Stella对于卵子发生、排卵及受精等过程不是必须的，但来自Stella敲除雌鼠的卵在受精后不能正常进行着床前发育，导致雌性不育。该研究发现Stella缺失导致的异常高甲基化主要发生在沉默的基因组区域，虽然这些基因启动子的异常甲基化对卵子发生过程的干扰不大，但严重影响了成熟卵子的质量和受精后二细胞期胚胎的母源基因组激活。
有趣的是，此前已知丧失了几乎所有DNA甲基化的卵子并不影响胚胎的着床前发育，因此科学界曾认为卵子特有的DNA甲基化状态并不重要。而该工作则表明，母源基因组特有的甲基化谱对于发育至关重要，但重要性并非在保障那些甲基化的区域，而是在保障那些非甲基化的区域处于这一独特的非甲基化状态。该研究揭示了卵子这一独特的基因组低甲基化状态的生物学意义。
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文献参考：
1.nature.com
2.sciencenet.cn
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