微管切割酶Fidgetin在阻止多精受精中的作用及机制研究

Fertilization is the beginning of a new life. In current model of mammalian fertilization, once the first sperm recognizes and binds the surface of an oocyte, change of membrane potential, cortical reaction and zona pellucida (ZP) reaction are triggered successively to prevent the entry of follow-up sperm (polyspermy), which will ensure the diploidy of the zygote (fertilized egg) genome. However, there are still arguments whether change of membrane potential is the major cause of polyspermy, and cortical reaction and ZP reaction take about 30 to 60 min to occur, so there must be a rapidly-activated molecular mechanism that can block the follow-up sperms. In our examination of the localization of all 7 microtubule severing enzymes within mouse oocytes, we found that only fidgetin highly concentrated on ZP, Fidgetin knockdown caused significantly increased polyspermy after In-vitro fertilization (IVF). Fidgetin could form active hexmer while phosphorylated fidgetin didn't at 5 min of IVF. Erk inhibition significantly decreased phosphorylated fidgetin. From above, we hypnotized that activated fidgetin might compete with acrosome reaction for the key kinase-Erk and act as the first fast barrier against polyspermy. We will use mouse as model to further investigate the mechanism and significantly contribute to the basic science and clinical application of fertilization.

受精是一个新生命的起始。在现有受精模型中，第一个精子与卵子表面识别并结合，先后触发膜电位改变、皮质反应和透明带反应而阻止后续精子穿入（多精受精），保证受精卵（合子）基因组的二倍性。但前者是否为主因还有争议，而后两者需要30到60分钟才能发生，因此很可能还有一种快速激活的分子机制阻止后续精子穿入。我们在研究所有七种微管切割酶在小鼠卵中的定位时发现只有Fidgetin高度富集在透明带上，fidgetin敲减后进行体外受精可见受精卵多原核率显著增加。受精后五分钟检测到fidgetin形成活性六聚体，而磷酸化fidgetin在透明带上显著减少且不形成六聚体。抑制Erk活性，磷酸化 fidgetin显著减少。综上我们提出活性Fidgetin可能通过与顶体反应竞争结合关键酶Erk而作为阻止多精受精的第一道快速屏障。我们将以小鼠为模型进一步研究其作用机制，该研究将为受精的基础和应用研究做出显著贡献。

本课题根据前期在体外培养卵母细胞上的实验结果，提出活性的微管切割酶Fidgetin可能通过与顶体反应竞争结合关键酶Erk而作为阻止多精受精的第一道快速屏障。为此，第一年度我们主要进行了fidgetin全敲小鼠的制备、fidgetin各种表达质粒的构建及相关细胞学实验；第二、三年度主要进行了fidgetin全敲小鼠的鉴定及表型研究，但发现我们只敲除了其中的两个亚型V1和V2，而造成V3过表达。并实际上导致fidgetin-V3过表达。意外的是，我们发现过表达fidgetin-V3造成卵子微绒毛微丝结构的紊乱，且actin乙酰化水平升高，由此推测fidgetin可以激活actin乙酰化酶NAA80；由于没有性能好的NAA80商业化抗体及fidgetin-V3过表达的小鼠表型不稳定，给我们进一步研究fidgetin与NAA80的关系带来极大困难。因此在第四年度，我们重新制备了fidgetin敲除小鼠，成功获得移码类型的V1&V2&V3彻底敲除的F0代小鼠（且有多个亚型），目前正在进行F1代生产、克隆及基因型鉴定的工作。在本项目结题后我们将继续进行fidgetin的研究，而且我们承诺未来以fidgetin为主发表的文章将仍然列本基金为第一位支持基金。鉴于fidgetin相关研究遇到的困难，我们利用本基金的支持开展了多项其它雌性生殖相关的基础和转化医学研究，发现了Pre-rRNA剪切因子MPP6在卵母细胞中负责5.8S Pre-rRNA的剪切成熟，从而调节减数分裂、受精及卵子质量；发现内在膜蛋白Fam70A与卵子富集的Wnt5a直接结合，通过canonical及non-canonical wnt信号来调节减数分裂和卵子质量；发现棕色脂肪（BAT）同种（mouse-to-mouse,MTM）及异种移植（rat-to-mouse,RTM）均可显著提高提高卵子质量而增加aging小鼠的生殖力；发现Plac1在卵巢&卵子中优势表达，通过furin→IGF1R→Akt调节卵子质量及减数分裂；发现泛素蛋白酶KBTBD8通过Erk→Aurora A 调节PKM1水平和卵子质量。已发表5篇Sci论文，其中2篇为第二标注，另3篇为第三标注；其中IF > 7一篇，IF > 5两篇。以上研究为为卵子质量维持和减数分裂正常进程的调节做出了显著贡献。