徐宇君组报道精准调控小鼠个体与器官大小的作用机制
众所周知，自然界中各种动物个体有着不同体型大小，例如非洲象体型庞大，成年后体重可达5吨，而同样是哺乳动物的成年小鼠，体重却难以超过50克，这主要是由动物身体中细胞数目的差异导致的，但是动物个体的大小细胞是怎样被调节？在同一个种的不同个体也有大小差别，这种细小的个体差异是否存在遗传学的控制还是主要有环境饮食导致的？潜在的基因调控网络怎么起作用并不十分清楚？目前的研究发现的由生长激素，各种生长因子（如胰岛素样生长因子）可以调控小鼠的体型大小，这些全身性的生长因子都是通过它们的受体和下游细胞周期通路在转录水平影响相关通路的基因表达来控制细胞增殖和调往来影响个体大小的。我们知道生物界的中心法则：DNA转录形成RNA，RNA翻译形成蛋白质，蛋白质执行生物学功能最后影响细胞行为产生生理作用,即个体的表型。那么在动物体型大小调控中，是否也存在转录后水平的调控，如在RNA翻译成蛋白质的过程中，起作用呢？这还不清楚。
近日，南京医科大学徐宇君课题组通过对于两个高度保守的RNA结合蛋白家族（PUF family）的功能研究揭示了个体和器官大小调节以及精子发育发生中的新机制。相关文章分别发表在Cell Reports 和National Science Review上。
2019年2月26日，徐宇君课题组在Cell Reports 上发表了题为Mammalian Pum1 and Pum2 regulate body size via translational control of the cell cycle inhibitor Cdkn1b的研究论文，发现了PUM家族蛋白成员协同参与对于小鼠个体大小和器官大小的精准调控。
徐宇君实验室长期从事PUMILIO家族（PUF family）蛋白相关研究，PUMILIO家族蛋白是一个在生物进化上高度保守的RNA结合蛋白家族，主要通过在转录后水平调节靶基因的表达。PUM同源基因从真核生物酵母、线虫、鱼、小鼠一直到人，从16亿前就存在于真核生物的祖先的基因组，经历漫长的生物进化，基因组发生了剧烈改变，但PUM家族蛋白在动物界都保留下来，直到目前的哺乳动物乃至灵长类，一直存在和广泛表达的两个同源性很高的成员PUM1和PUM2,说明PUM家族在哺乳动物中一定具有非常重要的功能。
徐宇君实验室和其他实验室的前期研究都表明，PUM家族在小鼠精子发生、卵子发育、胚胎发育以及神经系统功能中具有重要作用。在最新的这项研究中，研究人员观察到一个非常有意思的现象，PUM家族两个成员Pum1和Pum2的缺失将会导致小鼠体型减小，并且存在基因剂量效应，即Pum1/2的等位基因丢失的越多，小鼠体重下降的越多（下图），两个基因全部缺失则导致小鼠胚胎期的死亡。
图1.PUM家族对小鼠体重调控的基因剂量效应
进一步研究发现，PUM1/2蛋白可以通过结合到经典的细胞周期抑制因子Cdkn1b(p27) mRNA的3’端非翻译区，抑制其mRNA翻译水平，促进细胞周期G1-S转换和细胞增殖。当我们在Pum1缺失的小鼠中去除Cdkn1b基因，能够部分挽救Pum1敲除鼠体重、细胞数目和细胞增殖降低的缺陷（下图）。
图2.敲除Cdkn1b基因部分挽救Pum1小鼠的体型大小
因此，该研究结果展示了PUM家族在转录后水平准确调控哺乳动物个体大小，并且存在基因剂量效应，此外PUM1/2基因的表达可能与人群中身高体重差异也有相关性。
图3.PUM1/2通过抑制Cdkn1b mRNA的翻译水平，以基因剂量依赖性的方式精确调控动物个体大小
有意思的是，研究人员还发现小鼠中PUM1和PUM不仅都参与个体大小的调控，而且在各个组织中表达呈现高度的一致性。进一步的研究表明，这两个蛋白不仅共同抑制下游细胞周期因子的翻译，而且还互相抑制你我的翻译（下图），保证PUM蛋白的表达达到一个稳态（homeostasis）呈现一种既协同又互相制约的阴阳平衡关系，可能对于精准调控小鼠的个体和器官大小有重大意义。
图4. PUM1和PUM互相协调和制约达到PUM蛋白表达的稳态，以期精准调控小鼠个体大小。
另外，不久前，徐宇君课题组还在National Science Review杂志上在线发表了题为DAZL is a master translational regulator of murine spermatogenesis的研究论文，对于男性不育因子DAZ家族的DAZL蛋白在精子发生发育中的调控作用进行全面的遗传学、发育学、分子生物学水平机制剖析，提出DAZL是哺乳动物精子发生中一个翻译调控的大管家，很好地诠释了DAZL在多个物种的生殖细胞特异又广泛表达，且高度保守的机制。
研究DAZ这个家族蛋白的功能和建立动物模型探讨在精子发生中的作用机制是生殖医学领域一个重要命题。徐宇君教授长期研究不同种动物模型研究DAZ家族蛋白的组成、演化历史和机制，比较系统地解析了DAZ家族的历史起源，不同成员的功能异同及与临床男性不育的关系。
在这篇最新研究中，研究人员在全基因组水平鉴定DAZL蛋白在小鼠精子发生各个阶段分子机制，他们发现DAZL蛋白直接结合三千多个睾丸中的转录本，其中包括控制精子发生关键节点，如精原干细胞维持和发育，减数分裂，精子变形等阶段的调控基因。他们进一步发现DAZL蛋白直接通过与蛋白质翻译机器作用来促进这些下游转录本的蛋白的翻译。在DAZL基因在任何这些节点的缺失，都导致这些下游调控蛋白水平的显著下降，从而阻止精子发生的继续进行，无一例外地导致雄性不育。因此他们提出来DAZL是精子生产装配线上不可或缺的大管家，负责保证精子发育关键阶段所需调控蛋白的正常翻译。
总的来说，上述两篇文章对两个重要的生殖调控蛋白家族在小鼠中生理作用和分子机制作出了解析，揭示了翻译调控在个体发育和生殖发育中的关键作用。这种机制不仅古老，而且在哺乳动物包括人的进化中不断加强，尤其是在男性生殖细胞的发育上。其中的DAZL蛋白的人同源基因DAZ已经发现在10%的因无精子而至男性不育的人群中缺失，因此上述研究对于揭开这些基因和翻译调控在这些男性不育和癌症等其它疾病中的机理有重要意义。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.01.111
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy163/5266551
