植物极定位转录因子Vrtn在斑马鱼和小鼠早期胚胎发育中功能的比较研究

Localized maternal factors in fish play crucial roles in early embryogenesis, while in mammals cell-cell interaction seems to overwhelm egg polarity to control their development. In the background of this significant evolutionary transformation, whether and how the ancient localized factors change their function remains an interesting but largely illusive question. In zebrafish, Vrtn is a transcription factor with its mRNA vegetally localized, but the transcripts of its mouse ortholog loses this polarized distribution. Mutation of both materal and zygotic vrtn products in zebrafish leads to mild but viable axis defect. In sharp contrast, vrtn mutation in mouse is deleterious and causes embryonic death before E10.5 due to developmental failure of the umbilical cord and the placenta, characteristic extra-embryonic tissues in Eutheria mammals. These huge differences make vrtn an excellent subject for the comparative study in order to probe into the scientific question raised above. In this study, we will further investigate the molecular mechanisms underlying the vegetal localization of vrtn mRNA in zebrafish oocytes, as well as the mechanisms to drive the transcriptional repressive activity of Vrtn protein. More importantly, the functions and downstream regulative networks of zebrafish and mouse Vrtn will be comparatively studied in the evolutionary prospective. This study thus has the potential to reveal the functions and mechanisms of vrtn in the regulation of early embryonic development in both zebrafish and mouse animal models, and to find the evolutionary changes of the downstream regulative networks responsible for the interspecies functional differences.

由鱼类到哺乳类早期胚胎发育的调控策略从依赖定位的母源因子转变为主要依靠细胞或组织间的相互作用。古老的定位因子的功能和分子机制在这个重大变化的背景下发生了怎样的改变，这个有趣的科学问题仍然没有答案。Vrtn在斑马鱼中是一个植物极定位的转录因子，但这种特异的定位却在小鼠中丢失；与斑马鱼MZ-vrtn突变体的轻微且可恢复正常的胚轴缺陷不同，小鼠vrtn突变体缺少哺乳类特有的脐带和胎盘，导致胚胎在E10.5天前死亡。这些显著差别使得vrtn成为一个极好的切入点去开展比较研究，为上述科学问题提供重要信息。本研究将进一步深入揭示vrtn在斑马鱼卵母细胞中定位的分子机制和Vrtn抑制转录的作用原理，并将站在进化的角度从基因功能和下游调控网络两个方面对斑马鱼vrtn和小鼠同源基因进行比较研究，以期揭示vrtn调节这两种模式生物早期胚胎发育的功能和分子机制，并探索该基因的下游调控网络在进化中的改变。

由鱼类到哺乳类早期发育的调控策略发生了重大改变，从依赖定位的母源因子转变为主要依靠组织或细胞之间的相互作用。因此，古老定位因子的功能和分子机制在这个重大变化的背景下是否发生改变，发生了怎样的改变，这个有趣的科学问题仍然没有任何答案。vrtn的转录物在斑马鱼受精卵和早期胚胎中有特异的植物极定位，其小鼠同源基因的产物却丢失了这种定位；与斑马鱼MZ-vrtn突变体的轻度胚轴发育缺陷不同，小鼠vrtn突变体缺少哺乳类特有的关键胚外组织脐带和胎盘，导致胚胎在E10.5天前死亡。这些显著差别使得vrtn成为一个极好的切入点去开展比较研究，为上述科学问题提供重要信息。我们发现小鼠合子表达的vrtn通过控制身体后部特异表达的转录因子如Cdx4和Cdx2来控制身体后部的组织分化，其突变影响到尿囊芽的生成并抑制中胚层细胞的迁移过程。小鼠母源的vrtn缺失会导致不能排卵，提示母源的vrtn对小鼠卵子发育过程也是必需的。在斑马鱼体系中，我们发现了vrtn mRNA的定位基序，并且发现MZ-vrtn的轻度发育缺陷表型随着传代会被矫正回来，说明斑马鱼中vrtn的表型很有可能是遗传补偿后的结果。进一步研究表明，补偿后vrtn突变体虽然没有表现出任何发育缺陷，其转录组发生了大规模重塑，有1/3左右的基因表达发生了明显的上下调。我们用条件性敲除的方法在卵母细胞双线期敲除vrtn，结果发现母源突变胚胎不能产出，类似于小鼠vrtn的母源突变体。这些结果提示斑马鱼的vrtn功能很可能是保守的，但是其突变后会引发强烈的遗传补偿效应，掩盖其本身的功能。而由于vrtn没有旁系同源基因，这种转录补偿效应明显区别于依赖于同源基因上调的“转录适应“。因此本研究引出了一系列重要的科学问题，一是在斑马鱼体系中，vrtn的突变为什么会引发遗传补偿，其背后的机制是什么？二是斑马鱼vrtn的功能是否实际上与小鼠的同源基因功能是保守的？这些重要科学问题值得进一步研究。在支持这些研究工作外，本课题还支持了RNA结合蛋白Rbm24功能的研究和建立快速获取母源突变体的方法学研究，相关研究结果发表在PNAS和Science Advances等知名期刊上。