Poly(ADP-ribose)在卵母细胞非对称分裂中的作用

In this new century, reproductive disease has been one of the top three health-threatening diseases in the world, together with cancer and cardiovascular disease. China has the largest population of induced abortion in the world. Also, the number of birth defect in China is up to 0.9 million per year. As one of the important biopolymers, poly(ADP-ribose) (PAR) plays critical roles in DNA damage response and apoptotic program, etc. However, its function on non-stressed conditions remains elusive. Our previous data show that PAR is enriched in healthy human oocytes and early embryos, while the level of this polymer is significantly decreased in ageing oocytes and defective embryos. The loss of PAR in oocyte cortical area results in a failure of oocyte asymmetric division, implying that PAR and PARylation are required for oocyte maturation that is essential for fertilization and early embryo development. In this project, combining with proteomics, molecular biology, and clinical samples, we will explore the new functions of PAR and the molecular mechanism in oocytes. We try to build the link between defects of PAR-associated genes and reproductive deceases, providing new strategies for clinical diagnose and therapy.

新世纪以来，生殖疾病已与肿瘤、心血管疾病并称为危害人类健康的三大疾病。尤其在我国，人工流产数占世界人工流产总数的近50%，年出生缺陷人数高达90万！Poly(ADP-ribose)（简称PAR）作为一类重要的小分子多聚物，在DNA损伤应激、细胞凋亡等方面发挥重要作用，而在非应急条件下的功能却一直未知。我们前期数据发现PAR在人类卵母细胞和早期胚胎中含量丰富，且老龄卵母细胞和停育胚胎中PAR的水平显著降低；皮质区PAR的特异缺失导致卵母细胞非对称分裂失败——这预示着PAR及其底物蛋白的PARylation修饰对卵母细胞成熟极为重要，直接影响受精与早期胚胎发育。本项目将以PAR为核心，通过蛋白质组学、分子生物学等，结合临床样本，探讨PAR及其底物修饰蛋白在非应激条件下的新功能与作用机制，揭示PAR相关基因缺陷与卵母细胞成熟障碍及不孕不育的分子联系，为临床个体化诊断与生殖疾病治疗提供新策略。

该项目按计划完成相应研究内容。作为细胞内重要的翻译后修饰小分子多聚物，Poly(ADP-ribose)（PAR）主要合成并修饰于染色体组蛋白从而影响染色体开放状态。在项目资助下，我们发现了与PAR相互协作配合的Fbxo30-SLBP-组蛋白H3通路影响了染色体凝集状态，进而调控卵母细胞染色体分离与细胞周期进程，揭示了泛素化与PARylation双重翻译后修饰对染色体的协同作用,阐明了染色体分离介导卵母细胞减数非对称分裂的分子机制。除PAR对染色体状态的调控功能外，科学家近年来发现PAR可与一系列DNA修复蛋白相互作用调节其生物学功能。利用Smart-Seq2结合RT2 profiler PCR array，我们筛选到PAR互作因子BRCA2在卵巢功能不全患者中低表达；构建Brca2敲除小鼠发现雌性小鼠不育且其卵母细胞中堆积大量DNA损伤，向卵母细胞回补Brca2则可降低部分卵母细胞DNA损伤水平并促进减数分裂成熟。由于PAR的生物学合成消耗大量底物NAD+，作为细胞内最大的NAD+库，线粒体的代谢调控与蛋白质组成则与PAR的合成密切相关。为此，我们基于化学的蛋白质标记技术，在活卵母细胞线粒体中特异表达了APEX过氧化物酶，实现了对线粒体蛋白质组的捕获与鉴定；与此同时进一步发展了活细胞开放空间蛋白质组标记，实现了活细胞中心体蛋白质组与胞质分裂间桥蛋白质组捕获。以上结果以PAR及其互作蛋白为核心，阐明了相关基因缺陷导致卵母细胞减数非对称分裂失败及发育成熟障碍的分子机制。相关研究成果发表于Cell. Mol. Life Sci、Cell Death & Disease、J of Mol Cell Biol、Fundamental Res、Acta Pharm. Sinica等。.在项目的资助下，我们还结合生殖生物学技术优势，发展了非天然氨基酸介导的转基因小鼠模型，通过密码子扩展技术显著提高了小鼠模型制作的效率。此外，基于本研究团队在卵母细胞减数分裂与PARylation翻译后修饰领域的成绩，本人受邀撰写相关综述，系统阐述了磷酸化、泛素化、PARylation等翻译后修饰在卵母细胞成熟中的网络调控与生物学功能。相关研究成果发表于Science Advances、Frontiers in Cell & Dev Biology。