杨运桂/张强锋/刘峰组合作揭示早期胚胎发育中RNA二级结构动态性及调控母源mRNA稳定性的机制

撰文 | 衡鉴

编辑 | 潘鲁湲

动物早期胚胎发育由存储在卵子中的母源因子（母源mRNA及母源蛋白）主导调控，在母源-合子转换（maternal-to-zygotic transition, MZT）期间，母源mRNA发生有序的降解，合子基因表达开始激活，逐步完成从母源主导到合子基因主导的过渡 (1, 2)。杨运桂/刘峰/麻锦彪研究组的早期合作研究揭示RNA m⁵C修饰通过其结合蛋白Ybx1招募Pabpc1a来维持一部分重要母源mRNA的稳定性，从而保证母源-合子转换正常进行 (3)。然而，早期胚胎发育中母源-合子转换的调控机制依然存在着很多未知。

近日，中国科学院北京基因组研究所杨运桂研究组、清华大学张强锋研究组和中国科学院动物研究所刘峰研究组合作在Genome Biology杂志上发表了题为“RNA structural dynamics regulate early embryogenesis through controlling transcriptome fate and function”的研究论文。

研究团队通过小分子修饰结合深度测序的icSHAPE (in vivo click selective 2’-hydroxyl acylation and profiling experiment) (4)技术首次绘制了斑马鱼早期胚胎发育中4碱基分辨率的RNA二级结构图谱，发现RNA结构在0 hpf (fertilized egg) 至6 hpf (shield stage) 之间呈现高度动态性。进一步的分析发现RNA结构动态区域富集了包含Elavl1a在内的大量母源-合子转换调控元件，提示RNA结构的动态变化在母源-合子转换过程中可能发挥一定作用。

研究继续通过多组学分析发现RNA结合蛋白Elavl1a可能以一种RNA结构依赖性的机制进行母源mRNA稳定性的调控。Elavl1a iCLIP数据和icSHAPE数据联合分析显示Elavl1a倾向于结合单链RNA，体内/体外RNA pulldown、 凝胶阻滞实验（EMSA）也显示Elavl1a倾向于结合单链RNA。利用含有Elavl1a motif的不同结构探针的报告基因实验证明Elavl1a可通过结构依赖性的方式调控RNA稳定性。此外，基因功能实验显示Elavl1a缺失会导致斑马鱼胚胎发育缺陷，表明Elavl1a对早期发育具有重要作用。胚胎发育初期，Elavl1a结合并促进一些重要母源mRNA的稳定性，让这些母源因子能充分发挥作用；随着发育的进行，Elavl1a结合位点区域中RNA双链结构逐渐形成并抑制Elavl1a的结合，从而有利于这些母源mRNA的降解(图1)。

图1. RNA二级结构通过Elavl1a调控mRNA稳定性示意图

综上所述，该工作首次绘制了斑马鱼早期胚胎发育中4碱基分辨率的RNA二级结构图谱，并发现RNA二级结构动态性通过改变Elavl1a对mRNA的结合能力，进而调控母源mRNA稳定性，最终影响斑马鱼母源-合子转换及早期胚胎发育。此外，该工作在RNA m⁵C修饰研究的基础上进一步表明RNA转录后调控在胚胎发育中具有重要作用。

参考文献：

1. Tadros W & Lipshitz HD (2009) Thematernal-to-zygotic transition: a play in two acts. Development 136(18):3033-3042.

2. LeeMT, Bonneau AR, & Giraldez AJ (2014) Zygotic genome activation during thematernal-to-zygotic transition. Annu RevCell Dev Biol 30:581-613.

3. YangY, et al. (2019) RNA 5-MethylcytosineFacilitates the Maternal-to-Zygotic Transition by Preventing Maternal mRNADecay. Mol Cell.

4. SpitaleRC, et al. (2015) Structural imprintsin vivo decode RNA regulatory mechanisms. Nature519(7544):486-490.