新干细胞调节因子Dot1l助力精子发生

来源:武汉大学基础医学院     发布时间 : 2022-07-05      点击量:

武汉大学罗孟成教授与宾夕法尼亚大学Ralph L. Brinster 校长特聘教授Jeremy Wang团队合作研究发现Dot1l影响小鼠干细胞自我更新,对维持精子发生过程至关重要。该成果发表于Genes & Development杂志,罗孟成教授与Jeremy Wang教授为共同通讯作者,武汉大学博士生林惠娟和宾夕法尼亚大学Keren Cheng为并列一作,武汉大学为第一完成单位。

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男性在成年后可终生持续产生精子,其中关键是男性的精原干细胞持续的自我更新,正是这些持续产生的精原细胞最终发育成为精子。既往发现的生殖干细胞调节因子数量非常有限,由武汉大学罗孟成与宾夕法尼亚大学Jeremy Wang联合指导的团队发现,精原干细胞自我更新依赖于一种新的调节因子DOT1L,为生殖干细胞调节因子再添一员。新型调节因子DOT1L不仅有助于生殖干细胞的生物学研究,也为体细胞向生殖干细胞转化的应用型研究提供新思路。

发现 DOT1L 在干细胞自我更新中的作用带有一定的偶然性。Dot1l广泛表达且对发育十分重要: 全身性敲除Dot1l的小鼠胚胎致死。但基于已知的 DOT1L 在小鼠睾丸中的表达模式,作者认为它可能在减数分裂中发挥作用。为检测当Dot1l仅在生殖细胞中被敲除时会引起何种改变,作者Dot1lflox 小鼠与Ddx4-Cre小鼠交配,得到生殖细胞条件性敲除小鼠Dot1lcKODot1lfl/-Ddx4-Cre)。Ddx4,即Vasa,从小鼠胚胎15天起在生殖细胞中广泛表达的基因,是常见的生殖细胞条件性敲除工具。

Dot1lcKO小鼠健康存活。进一步研究其生殖系统发现,在25天龄之前,睾丸大小和重量与对照组相当,但40天后Dot1lcKO小鼠睾丸重量开始明显下降,至四月龄后达最低水平,此后维持最低水平。精子计数提示Dot1lcKO小鼠可以完成第一轮精子发生,但随后几乎不再产生精子。进一步组织形态分析发现,当小鼠缺乏DOT1L时,生殖细胞从生精小管内层精原细胞开始,随时间进展逐渐丢失,首先失去精原细胞,其次是精母细胞,继而是圆形精子细胞,最后是精子。管腔呈现为仅有精母细胞、圆形精子、长形精子、支持细胞,到仅有圆形精子、长形精子和支持细胞,到仅有长形精子和支持细胞,最终所有管腔均只剩下支持细胞(Sertolil cell-only syndrome)。因小鼠生精波第一波起始于原始生殖细胞,为排除原始生殖细胞的影响,确证自我更新障碍发生于精原干细胞,作者Ddx4-CreERT2工具鼠为模型,通过Tamoxifen在成年鼠体内诱导生殖细胞特异性敲除Dot1lDot1liKO),观察到相同的生殖细胞有序丢失表型,即生精小管首先失去精原细胞,其次是精母细胞,继而是圆形精子细胞,最后是精子,最终所有管腔均只剩下支持细胞。这些结果提示Dot1lcKO小鼠依然能产生精子,但精原干细胞自我更新受阻,因而无法维持精原细胞的数量,最终失去持续产生精子的能力。

此前,其他科研团队已经在白血病的背景下研究了 DOT1L,DOT1L在血细胞祖细胞中的过度表达可导致恶性肿瘤。DOT1L ,一种将甲基添加到组蛋白以影响基因表达的酶,其主要功能是催化Histone H3第79位赖氨酸甲基化(H3K79me1,me2和me3),这也是目前所知的唯一一个催化H3K79甲基化的酶。这种催化作用可以被化学试剂有效抑制。其中EPZ5676 是一种有效的 DOT1L 组蛋白甲基转移酶抑制剂,通过占据 DOT1L 的 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 结合口袋并诱导 DOT1L 的构象变化从而发挥抑制作用。

为进一步确定DOT1L所催化的H3K79me在 精原干细胞自我更新中的作用,作者在体外应用EPZ5676 处理带有lacz标记的精原干细胞,并将处理后的干细胞移植到特殊处理后的受体小鼠。结果发现,与对照组相比,EPZ5676处理后干细胞活性轻度下降,被移植到其他健康的小鼠体内后,由移植的精原干细胞所产生的生精小管比对照组减少了一半。这一结果证实了DOT1L所催化的H3K79me在 精原干细胞自我更新有重要作用。研究团队进一步探索分子机制发现,DOT1L 通过H3K79me促进HoxC 基因簇的表达,这一基因簇是在调节许多其他基因的表达方面发挥重要作用的转录因子,这些转录因子可能有助于干细胞自我更新过程。

长期以来,体外配子发生是生殖领域的重要研究方向。将体细胞重新编程为精原干细胞是其中的关键步骤之一,发现新的干细胞自我更新调节因素Dot1l,使这项研究更了一步。探索其中具体机制并转化到临床是未来的工作方向。


罗孟成教授2016年通过海外高层次人才计划回国后一直聚焦于生殖发育的研究,在性别决定,精原干细胞和减数分裂调控机制方面以通讯作者身份发表了多篇文章,包括:Cell Research,  Science Advances, Genes &Development等。


原文链接:Histone methyltransferase DOT1L is essential for self-renewal of germline stem cells - PubMed (nih.gov)


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