发育生物学小论文张天奕 Prdm1 在小鼠生殖细胞发育中的作用摘要 :Prdm1(PR domain zinc finger protein 1) 编码具锌指结构的转录因子 PRDM1, 在小鼠生殖细胞发育中具有主导调控作用, 并作为标记基因标志生殖细胞的起源本文综

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糊神邢
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1 Prdm1 在小鼠生殖细胞发育中的作用摘要 :Prdm1(PR domain zinc finger protein 1) 编码具锌指结构的转录因子 PRDM1, 在小鼠生殖细胞发育中具有主导调控作用, 并作为标记基因标志生殖细胞的起源本文综述了近年研究发现的 Prdm1 在小鼠生殖细胞特化迁移增殖中的作用和相关分子调控机制生殖细胞和体细胞相比具有很多特殊性质, 深入系统地研究小鼠生殖细胞发育中 Prdm1 的作用机制, 能够提升我们对于细胞特化调控基因组表观遗传重编程等方面的认识关键词 :Prdm1; 生殖细胞 ; 原始生殖细胞导言后生生物经过长期的进化, 主要采取两种途径实现生殖细胞的特化 : 一种是在发育之初, 遗传生殖质中的母源基因产物 ; 一种是在发育过程中, 接收多能干细胞产生的特定诱导信号其中小鼠的生殖细胞特化主要采取第二种途径 1 原始生殖细胞(primordial germ cell,pgc) 是精细胞和卵母细胞的来源 PGC 的特化以及后续的迁移增殖是生殖细胞发育的关键步骤, 而 Prdm1 作为诱导信号在小鼠生殖细胞特化以及迁移增殖中都发挥了重要作用 2 了解 Prdm1 在生殖细胞特化以及迁移增殖中的作用以及相关分子调控机制, 能够丰富对诱导信号调控生殖细胞发育途径的认识, 这可能为细胞命运的调控以及组织再生等方面提供应用的范例 1. 小鼠生殖细胞的发育在小鼠胚胎日龄 6.25 天 ( E6.25) 时, 一些近端上胚层体细胞受 BMP4 诱导表达 PRDM1, 形成 PGC 前体细胞 ; 在 E7.5, 尿囊基部形成 40 个左右具有典型特征的 PGC 在 E8.0 到 E8.5, PGC 从尿囊迁移到胚胎后肠内胚层并增殖, 积累 H3K27m3 在 E10.5 到 E11.0, 每个胚胎会形成大约个 PGC, 这些细胞会沿后肠迁移到生殖嵴定植 3 在 E11.5,PGC 细胞周期延长, 并在延长的 G2 期中进行后续的表观遗传重编程 1 直到 E13.5, 生殖细胞发生性别划分, 雌性生殖细胞在雌性性腺中进入减数分裂前期, 雄性生殖细胞在雄性性腺中进入有丝分裂阻滞期 4 2. Prdm1 基因 Prdm1 基因编码转录因子 PRDM1, 该转录因子具有 N- 端 PR/SET 结构域, 富含脯氨酸区域,C2H2 锌指结构和 C- 端酸性区域起初,Prdm1 基因主要被作为诱导 B 细胞向浆细胞分化的调控因子用于研究 5, 直到 2005 年,Ohinata Y 证明 Prdm1 基因在外胚层紧靠原条后部的少数细胞中表达, 标志着生殖细胞系的来源, 成为生殖细胞发育研究中使用的关键标记基因 2, 而后续的研究进一步证实 Prdm1 基因在构建小鼠生殖细胞系时, 对转录起主导调控作用 1 PRDM1 可以与靶向基因序列结合, 一方面可以通过富含脯氨酸的区域以及锌指结构招募抑制子或者染色质修饰酶 5, 来发挥转录抑制因子的功能 ; 另一方面也可以通过 C- 端酸性区域激活某些靶向基因因此对于不同的靶向基因,Prdm1 基因可以起到不同的调控作用 6 3. Prdm1 在生殖细胞发育中的作用小鼠生殖细胞的建立是上胚层细胞特化形成 PGC, 随后 PGC 迁移增殖形成卵母细胞和

2 精细胞的过程, 而 Prdm1 作为主导调控因子, 在整个发育过程中都持续表达并发挥作用在生殖细胞特化过程中,Prdm1 起到抑制体细胞基因, 激活 PGC 基因的作用 ; 而在生殖细胞迁移增殖过程中,Prdm1 起到抑制组织发育生殖细胞分化以及细胞凋亡的作用 3.1 Prdm1 的表达情况 Prdm1 最早在 E6.25 表达, 此时可在胚胎上胚层近端位置检测到 6 个左右表达 PRDM1 的阳性细胞 ; 在 E6.5, 阳性细胞数目增加到 16 个左右 ; 在 E7.25,20-28 个阳性细胞会形成一个紧密的细胞团 ; 在 E7.5, 胚外中胚层后缘可形成一个约 40 个阳性细胞组成的细胞团在这段时期, 阳性细胞中 PRDM1 的表达水平随着发育阶段的发展而升高 1 而在后期生殖细胞迁移增殖过程中,PRDM1 持续表达 3 ; 直到雄性生殖细胞到 E15.5, 雌性生殖细胞到 E12.5-E13.5,PRDM1 表达才停止 3.2 Prdm1 在特化过程中的作用 5 在研究 Prdm1 在特化过程中的作用时,Ohinata Y 等人发现 Prdm1 缺失的突变体, 无论杂合体还是纯合体, 都会出现 PGC 细胞数目减少细胞迁移异常体细胞基因持续表达等异常情况 2, 这说明 Prdm1 是小鼠生殖细胞系形成的关键决定因素比较 Prdm1 突变细胞与野生型细胞的转录组以及全基因组数据的结果显示, 突变细胞的转录组数据异常, 其体细胞基因发生去抑制作用 8, 并且随着发育的进行, 原本具有生殖细胞命运的细胞反而向体细胞中胚层细胞分化 1, 这表明在生殖细胞特化过程中 PRDM1 在抑制体细胞基因方面具有主导作用同时,Kurimoto K 等人发现, 在突变细胞中, 基因的协同激活严重受损, 这表明只有在 Prdm1 存在的情况下, 才能正常地协同激活 PGC 特化基因而这也说明,Prdm1 在该过程中, 并非是单一的决定因素, 而是起主导作用的调控因子 Prdm1 在迁移增殖过程中的作用在研究 Prdm1 在迁移过程中的作用时,Yamashiro C 等人发现, 当在 E9.5 E10.5, 以及雄性性腺 E11.5 的 PGC 细胞中, 将 Prdm1 敲除,PGC 细胞会分别在 E10.5 E11.5 E13.5 时期发生凋亡 ; 在雌性性腺 E11.5 的 PGC 细胞中敲除 Prdm1, 虽然 PGC 正常进入第一次减数前期, 但卵原细胞会在粗线期表型异常, 并在 E16.5 发生凋亡这些结果表明 Prdm1 在维持迁移增殖时期 PGC 的正常发育中同样发挥了关键作用随后, 研究人员探究该时期 PRDM1 的直接作用靶点, 结果发现突变细胞与野生型细胞相比, 有 183 个基因上调以及 20 个基因下调, 这表明 PRDM1 在该时期主要作为转录抑制因子发挥作用而经过对靶向基因功能的探究, 他们发现 Prdm1 在该时期主要起到抑制发育调控基因凋亡基因和男性生殖细胞特化基因的作用, 这与生殖细胞特化过程中 Prdm1 调控的基因不同 2 ; 4. Prdm1 相关分子调控机制 PGC 细胞数目非常少, 并且细胞培养转染等实验操作难度较大 6, 因此难以进行 Prdm1 相关分子调控机制的研究不过随着实验技术的提升, 以及 PGC 体外培养模型的建立,Prdm1 上下游的作用分子以及其涉及的调控网络逐渐被研究人员发现 4.1 Prdm1 激活分子机制研究人员研究激活 Prdm1 的信号通路时, 在 Bmp4 Bmp8b 和 Smad1 突变体中表达 Prdm1 报告基因, 而 Prdm1 报告基因在这三种突变体中的表达都严重受损 6,9 另外, 在 Bmp4 Bmp8b 突变体中, 没有磷酸化形式的 SMAD1/5/8; 而在 Smad1 突变体中则呈现了一定水平的 SMAD1/5/8 磷酸化这表明 Bmp 信号位于 Prdm1 上游, 并通过 SMAD 蛋白的磷酸化, 激活上胚层近端位置细胞中的 Prdm1 和 Prdm14( 图 1) 9 另外,BMP4 抑制的几个 WNT3 靶点对 Prdm1 和 Prdm14 的激活具有抑制作用, 这表明

3 Bmp4 可能通过抑制 WNT3, 激活 Prdm1 和 Prdm14, 确保 PGC 正常特化 10 而 Kurimoto K 等人发现 T 蛋白招募 H3K27ac, 也可诱导早期中胚层基因以及 Prdm1 基因的表达 ( 图 1) Prdm1-Prdm14-Tcfap2c 调控网络在 2008 年, 研究人员便发现小鼠生殖细胞谱系的建立是由 Prdm1 Prdm14 这两个关键的转录调控因子协同调控的在 Prdm1 缺失时,E7.0 时期 PRDM14 表达正常, 但是在 E7.25-E7.5,PRDM14 的表达量以及 PRDM14 阳性细胞的数量都减少, 这说明 Prdm14 先独立于 Prdm1, 但随后 Prdm14 的维持和上调便严格依赖于 Prdm1 另外, 与 Prdm1 缺失的情况相反,Prdm14 突变细胞中能正常抑制中胚层相关基因, 这说明 Prdm14 不能抑制体细胞基因 8,9 另外,Schater S 等人发现转录因子 Tcfap2c 可以被 PRDM1 激活, 在 Prdm1 缺失的 PGC 细胞中,Tcfap2c 表达并未上调, 而这表明 Tcfap2c 可能是 Prdm1 的下游靶基因最后,Magnusdottir E 等人建立了 Prdm1-Prdm14-AP2γ 三者相互依赖的转录调控网络 ( 图 1) 利用 P19EC 细胞替代 PGC 细胞作为体外培养系统, 经过转录组 ChIP-seq 等数据分析, 发现 PRDM1 可以直接结合到编码转录调控因子以及调控发育过程的基因位点, 以抑制体细胞基因和细胞增殖基因另外, 它可以与 Tcfap2c 结合, 诱导 AP2γ 的表达 AP2γ 被 PRDM1 诱导表达后, 可以和 PRDM14 共同作用, 激活 PGC 特化基因 AP2γ 主要靶向的基因有 PGC 特化基因上胚层基因形态与发育相关基因 12, 这表明该基因与 PGC 特化以及体细胞基因抑制相关同时, 研究人员发现当基因被 PRDM1-AP2γ PRDM14-AP2γ PRDM1-AP2γ-PRDM14 复合体结合时, 会具有更强的抑制效果 PRDM14 也可以和 PRDM1 共同作用, 实现全基因组表观遗传的重编程 PRDM1 和 PRDM14 一起抑制 H3K27 去甲基化酶的 KDM6B;PRDM14 也可单独诱导 H3K9 去甲基化酶 KDM4B 的表达, 这实现了 H3K9me2 的清除, 有利于之后全基因组去甲基化的进行另外,PRDM14 和 PRDM1 还可以抑制 DNA 甲基转移酶 DNMT3B 和维持 DNA 甲基转移酶的辅助蛋白 UHRF1; 这有助于 PGC 中 DNA 的整体去甲基化 4.3 Prdm1 作用分子机制 PRMT5 是精氨酸组蛋白甲基转移酶, 可以对组蛋白 H2A/H4 精氨酸实现对称双甲基化修饰经测定,PRDM1 可以与 PRMT5 相互作用, 并导致 PGC 在 E8.5 时,H2A/H4 R3 甲基化水平升高 ; 而在 E11.5 时,PRDM1- PRMT5 从细胞核转移到细胞质, 导致生殖细胞在表观遗传重编程时 H2A/H4 R3 甲基化缺失 4 Kurimoto K 等人利用原始生殖细胞样细胞 (PGC-like cell,pgclc) 体外诱导模型, 测定该系统中的染色质动力学, 揭示了染色质表观遗传的大规模重编程他们发现 PGC 分化过程中表观遗传重编程降低 H3K9me2, 升高 H3K27me3, 以及 5- 甲基胞嘧啶的去甲基化而在 PGCLC 特化过程中,T 蛋白激活 Prdm1 编码 PRDM1, 该蛋白招募 H2K27me3 以抑制体细胞基因的表达 ( 图 1), 并作为成核的因子招募 PRC2 实现对抑制作用的稳定 Mochizuki K 等人同样利用 PGCLC 体外诱导模型, 对组蛋白去乙酰化酶 3(HDAC3) 和 PRDM1 的相互作用以及共同作用靶点进行研究他们发现 HDAC3 独立的靶向基因与神经发生神经系统发育神经元生成等相关 ;PRDM1 独立的靶向基因与转录组等相关 ; 而共同靶向基因多与器官发育调控胚胎形态发生解剖结构形态发生相关在 Hdac3 突变体中, 共同靶点的去抑制没有通过过表达 PRDM1 逆转, 这表明 PGCLC 特化不是 PRDM1 的单独作用, 而是 HDAC3 和 PRDM1 的协同作用因此,PRDM1 选择性地将 HDAC3 招募到体细胞基因上, 造成基因组蛋白 H3H4 去乙酰化, 从而抑制与器官发生相关的基因 ( 图 1); 同时,HDAC3 和 PRDM1 也可以独立抑制其他不同的体细胞基因结语生殖细胞的发育过程是一个复杂且高度动态的变化过程, 而 Prdm1 作为在小鼠生殖细

胞发育中具有主导调控作用的基因, 在生殖细胞特化以及迁移增殖过程中发挥着重要作用对于 Prdm1 研究初期, 因为 PGC 细胞数目非常少, 增加了研究难度, 但是随着 PGC 体外诱导模型的发展以及单细胞数据分析技术的提高, 人们对于 Prdm1 在小鼠生殖细胞中的作用以及相关分子调控机制的了解不断深入, 发现了 Prdm1-Prdm14-Tcfap2c 转录调控网络, 以及与 Prdm1

4 胞发育中具有主导调控作用的基因, 在生殖细胞特化以及迁移增殖过程中发挥着重要作用对于 Prdm1 研究初期, 因为 PGC 细胞数目非常少, 增加了研究难度, 但是随着 PGC 体外诱导模型的发展以及单细胞数据分析技术的提高, 人们对于 Prdm1 在小鼠生殖细胞中的作用以及相关分子调控机制的了解不断深入, 发现了 Prdm1-Prdm14-Tcfap2c 转录调控网络, 以及与 Prdm1 激活和作用相关的分子机制但是, 目前对于小鼠生殖细胞的发育过程中系统的分子作用机制尚未研究清楚, 还需要研究人员对这一领域进一步的研究发掘图 1:Prdm1 相关分子调控机制模式图 Bmp 信号可通过 SMAD 蛋白磷酸化, 激活 Prdm1 和 Prdm14;T 蛋白可招募 H3K27ac 激活 Prdm1 Prdm1 与 Prdm14 AP2γ 三者形成相互依赖的转录调控网络, 对小鼠生殖细胞发育发挥重要作用 Prdm1 可通过招募 H2K27me3 HDAC3 抑制基因表达参考文献 1 Kurimoto, K. et al. Complex genome-wide transcription dynamics orchestrated by Blimp1 for the specification of the germ cell lineage in mice. Genes Dev 22, , doi: /gad (2008). 2 Ohinata, Y. et al. Blimp1 is a critical determinant of the germ cell lineage in mice. Nature 436, , doi: /nature03813 (2005). 3 Vincent, J. J. et al. Single cell analysis facilitates staging of Blimp1-dependent primordial germ cells derived from mouse embryonic stem cells. PLoS One 6, e28960, doi: /journal.pone (2011). 4 Ancelin, K. et al. Blimp1 associates with Prmt5 and directs histone arginine methylation in mouse germ cells. Nat Cell Biol 8, , doi: /ncb1413 (2006). 5 Vincent, S. D. et al. The zinc finger transcriptional repressor Blimp1/Prdm1 is dispensable for early axis formation but is required for specification of primordial germ cells in the mouse. Development 132, , doi: /dev (2005). 6 Saitou, M., Payer, B., O'Carroll, D., Ohinata, Y. & Surani, M. A. Blimp1 and the emergence of the germ line during development in the mouse. Cell Cycle 4, , doi: /cc (2005). 7 Yamashiro, C. et al. Persistent Requirement and Alteration of the Key Targets of PRDM1 During Primordial Germ Cell Development in Mice. Biol Reprod 94, 7, doi: /biolreprod (2016). 8 Kurimoto, K., Yamaji, M., Seki, Y. & Saitou, M. Specification of the germ cell lineage in mice: a process orchestrated by the PR-domain proteins, Blimp1 and Prdm14. Cell Cycle 7,

5 , doi: /cc (2008). 9 Ohinata, Y. et al. A signaling principle for the specification of the germ cell lineage in mice. Cell 137, , doi: /j.cell (2009). 10 Mochizuki, K. et al. Repression of Somatic Genes by Selective Recruitment of HDAC3 by BLIMP1 Is Essential for Mouse Primordial Germ Cell Fate Determination. Cell Rep 24, e2686, doi: /j.celrep (2018). 11 Kurimoto, K. et al. Quantitative Dynamics of Chromatin Remodeling during Germ Cell Specification from Mouse Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell 16, , doi: /j.stem (2015). 12 Schafer, S. et al. The role of BLIMP1 and its putative downstream target TFAP2C in germ cell development and germ cell tumours. Int J Androl 34, e ; discussion e , doi: /j x (2011). 13 Magnusdottir, E. et al. A tripartite transcription factor network regulates primordial germ cell specification in mice. Nat Cell Biol 15, , doi: /ncb2798 (2013).

2 综述持多种组织器官的正常发生与发育本文对 Prdm1 在哺乳动物胚胎和生殖细胞发育中的作用作一综述 1 Prdm1 基因从 NCBI 网站上查找不同物种的 Prdm1 基因序列, 共找到 13 条序列 ( 表 1) 用 DNAMAN 软件对其 CDS 区进行分析, 发现已报道的这些物种的

2 综述持多种组织器官的正常发生与发育本文对 Prdm1 在哺乳动物胚胎和生殖细胞发育中的作用作一综述 1 Prdm1 基因从 NCBI 网站上查找不同物种的 Prdm1 基因序列, 共找到 13 条序列 ( 表 1) 用 DNAMAN 软件对其 CDS 区进行分析, 发现已报道的这些物种的 2014-05-29 17:35 http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11844/cjcb.2014.06.0434.html 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 2014, 36(6): DOI: 10.11844/cjcb.2014.06.0434 Prdm1 在哺乳动物胚胎和生殖细胞发育中的作用李娜吴江华进联 * (

发育生物学小论文 张天奕 Prdm1 在小鼠生殖细胞发育中的作用 摘要 :Prdm1(PR domain zinc finger protein 1) 编码具锌指结构的转录因子 PRDM1, 在小鼠生殖细胞发育中具有主导调控作用, 并作为标记基因标志生殖细胞的起源 本文综

发育生物学小论文张天奕 Prdm1 在小鼠生殖细胞发育中的作用摘要 :Prdm1(PR domain zinc finger protein 1) 编码具锌指结构的转录因子 PRDM1, 在小鼠生殖细胞发育中具有主导调控作用, 并作为标记基因标志生殖细胞的起源本文综