组蛋白乙酰化调控牛iPS卵母细胞减数分裂启动发生的分子机制

Oocytes from bovine iPS cells have an important prospect in livestock breeds conservancy, transgenic breeding and genetic improvement. the understanding about the oogenesis from bovine iPS cells will greatly boost its application in cattle industry. However, the study on the mechanism of oogenesis from bovine iPS cells is still unclear. In the previous study, bovine iPS cells were induced by defined factors and differentiated into oocytes using directional differentiation technique. In addition, histone acetylation played an important role in the process of oocyte maturation. Histone hyperacetylation prolonged oocyte maturation. In contrast, deacetylation of histone reduced the duration of oocyte maturation. In view of this, the molecular mechanism of regulation and function of cAMP, MPF, MAPK signaling pathways about meiosis initiation during germinal vesicle breakdown, chromosome aggregation, spindle migration, microtubule assembly and disassembly, chromosome separation and movement, asymmetric division, MI to MII phase transition, MII arrest and initiation is elucidated by manipulating histone acetylation during the oogenesis of bovine iPS cells in this research.It will lay a foundation for the wide application of oocytes from bovine iPS cells in the modern animal industry.

牛iPS卵母细胞在家畜良种保护、转基因育种和品种改良等方面具有着重要的应用前景，对其发生机制的了解将极大促进iPS卵母细胞在生产中广泛应用。然而目前有关牛iPS卵母细胞发育成熟方面的研究还未见深入。申请者在前期的研究中利用限定因子诱导出牛iPS细胞，采用定向分化技术诱导牛iPS 细胞分化成卵母细胞，并发现组蛋白乙酰化在卵母细胞发育成熟过程中发挥重要作用，组蛋白的高乙酰化延迟卵母细胞成熟，低乙酰化加速卵母细胞成熟。鉴于此，本课题拟通过对牛iPS卵母细胞发育成熟过程中进行组蛋白乙酰化水平调控，在组蛋白乙酰化调控牛iPS卵母细胞发育成熟过程中，阐明cAMP、MPF、MAPK信号通路参与生发泡破裂、染色体聚集、纺锤体迁移、微管组装与去组装、染色体分离与运动、非对称分裂、MI向MII期的过渡、MII期停滞和启动等减数分裂发生的分子机制，为深入利用牛iPS 卵母细胞在现代畜牧业中的广泛应用奠定基础。

牛iPS卵母细胞在家畜良种保护、转基因育种和品种改良等方面具有着重要的应用前景，对卵母细胞相关减数分裂发生机制的深入了解将极大促进iPS卵母细胞诱导和应用。本项目主要研究了牛iPS卵母细胞体外诱导发生、卵母细胞减数分裂发生的体外调控、乙酰化表观遗传修饰与卵母细胞减数分裂发生及其发育潜力、调控卵母细胞减数分裂的关键基因及其信号通路等。研究结果显示，在体外培养环境条件下诱导牛iPS细胞向牛卵母细胞进行分化，诱导分化形成的卵母细胞具有牛卵母细胞的基本形态结构，在悬浮胚胎条件下形成卵母细胞卵丘细胞复合体，在贴壁培养条件下卵母细胞的透明带结构形态明显，诱导分化的牛iPS卵母细胞表达卵母细胞所特有的特异性标记。Forskolin和PD166285体外环境条件下能够使卵母细胞独立完成减数分裂过程，并形成功能性卵母细胞，通过这两种药物的添加可以人为调控卵母细胞减数分裂的发生。乙酰化与去乙酰化显著影响卵母细胞减数分裂的发生和卵母细胞的发育能力，组蛋白乙酰化抑制剂II抑制卵母细胞减数分裂的发生和卵母细胞的成熟，组蛋白乙酰化激活剂CTB有利于卵母细胞的成熟发育，相关的组蛋白修饰有利于卵母细胞减数分裂的发生，而组蛋白乙酰化抑制剂II则抑制裸卵减数分裂的发生。采用高通量RNA-Seq测序技术针对GV期和MII中期卵母细胞进行检测，首次报到分析了存在于牛卵母细胞GV期以及MII期两时期大量特异以及差异性表达的关键mRNA / lncRNAs，找到了关键的mRNA / lncRNAs在代谢途径、RNA转运、剪接体、卵母细胞减数分裂、泛素介导的蛋白水解、RNA降解、真核生物核糖体合成、嘧啶代谢、蛋白酶体、氧化磷酸化、代谢途径、同源重组、柠檬酸循序、细胞循环、碳代谢、氨基糖与核苷酸糖代谢通路上的富集程度存在显著差异性，卵母细胞中关键的lncRNAs/mRNAs 通过参与这些细胞信号通路和生物学过程来调控卵母细胞减数分裂过程。该研究为深入掌握牛iPS卵母细胞发生的分子机制和利用牛iPS 卵母细胞在现代畜牧业中的广泛应用奠定了坚实的基础。