MAPK级联通路通过激活poly(A)聚合酶促进卵母细胞减数分裂

雌性哺乳动物在出生以后，卵母细胞的细胞周期停滞在减数第一次分裂前期，直到排卵前夕才在促性腺激素的刺激下恢复减数分裂，经不对称分裂排出极体，等待受精。卵母细胞的减数分裂成熟是受精成功的关键，也常常是辅助生殖治疗中的卡脖子问题。异常的染色体分离会导致胚胎非整倍性，造成早期流产或后代遗传疾病。

哺乳动物卵母细胞发育的一个关键特征是，在生长到合适体积以后，基因组转录活动停止，此后的减数分裂成熟、受精和母源-合子过渡过程几乎完全由已存在于卵母细胞中的母源mRNA和蛋白分子调控完成。二十多年前科学家们就发现，丝裂原活化蛋白激酶（MApK）级联通路伴随卵母细胞减数分裂发生激活，并且对于纺锤体的正常组装、迁移、染色体精确排列，以及卵母细胞不对称分裂，都是必需的。但该通路发挥上述作用的直接生化机制，一直没有被充分阐明。

浙江大学生命科学研究院范衡宇教授实验室近年来的系列工作揭示，MApK级联通路的两个关键蛋白激酶ERK1/2，主要是通过促进卵胞质中储存的母源mRNA发生翻译激活，从而整合了大量参与减数分裂的蛋白分子，推动细胞周期进程。胞质中mRNA发生翻译激活的关键一步是poly(A)尾的延长，进而招募翻译启始因子。但到目前为止，在哺乳动物卵母细胞中催化mRNA加polyA尾的腺苷酸聚合酶（poly(A) polymerase，pAp）一直没有被确认，更不清楚它是否直接受到ERK1/2的调控。

在本研究中，该团队首先证实，在小鼠基因组所编码的多个pAp中，pApα在卵母细胞中表达水平最高，并且在生发泡（卵母细胞的细胞核）和卵胞质中均有分布。在小鼠卵母细胞中抑制pApα活性，会阻断关键母源mRNA加poly(A)尾，使其不能发生翻译激活，造成减数分裂缺陷；而过表达pApα，则会诱导卵母细胞提前启动减数分裂成熟过程。研究团队还发现，pApα蛋白在减数分裂成熟过程中，有三个丝氨酸残基发生了磷酸化；与减数分裂密切相关的ERK1/2和CDK1是催化这些位点发生磷酸化的蛋白激酶；磷酸化修饰后的pApα，与调控mRNA加尾的多亚基蛋白复合体CpSF（cleavageandpolyadenylation-specificfactor）结合更加紧密，因此具有更高的催化活性。此外，研究团队通过分析pApα的表达模式发现，pApα蛋白水平在卵母细胞成熟过程中不断增加，因为编码pApα蛋白的mRNA3’-UTR中也具有多个翻译调控元件，包括CpSF的结合元件，能够在pApα催化下发生poly(A)尾的延长，伴随减数分裂恢复而发生翻译激活。

综合本研究的结果，pApα在卵母细胞恢复减数分裂时，经三重正反馈激活，促进母源mRNA加poly(A)尾：（1）卵母细胞启动减数分裂成熟以后，生发泡破裂，原本贮存在生发泡中的pApα蛋白分子被释放到卵胞质中，直接催化胞质中的mRNA加poly(A)尾；（2）CDK1和ERK1/2催化pApα磷酸化激活，从而把胞质mRNA加poly(A)尾与减数分裂细胞周期进程偶联起来；（3）激活后的pApα也通过正反馈机制，催化编码自己的mRNA发生poly(A)尾延长和翻译激活，从而以滚雪球的方式迅速增加pApα在卵胞质中的表达量，促进减数分裂的不可逆进行。

图1：卵母细胞减数分裂成熟过程中的pApα正反馈激活机制

该研究工作的主要创新性意义在于：（1）找到了直接催化哺乳动物母源mRNA发生poly(A)尾延伸的酶；（2）发现pApα是ERK1/2在卵母细胞中的直接磷酸化底物，进一步揭示了MApK级联通路调控卵母细胞减数分裂的生化机制；（3）虽然本研究主要以小鼠卵母细胞为研究对象，但胞质mRNA加尾过程也普遍存在于多种细胞类型（如神经细胞、血细胞），因此pApα的多重调控机制很可能在体内众多生物学事件中具有广普意义。

相关研究论文近日在线发表在NucleicAcidsResearch上，浙江大学生命科学研究院博士研究生江俊超同学为该论文第一作者，范衡宇教授为通讯作者。研究生张华、曹兰蕊、赵龙雯和博士后戴兴兴也参与了这一工作，山东大学刘洪彬教授为本研究提供了抗体制备的帮助。该研究受到国家自然科学基金，浙江省重点研发计划，国家重点研发计划等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkab431