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卵母细胞受精以后,排出第二极体,并形成雌雄原核,这标志着生殖细胞发育和调控终点。雌雄原核迁移是胚胎发育最开始的一个非常短暂阶段,影响着早期基因的激活和胚胎后期发育。前期研究显示微管在小鼠原核迁移过程中起着牵引作用,然而模拟微重力条件下微管会发生解聚,因而影响卵母细胞的成熟和雌雄原核迁移的过程。大量的研究发现,长链非编码RNA(longnoncodingRNA,lncRNA)在卵母细胞成熟和早期胚胎发育过程中起着重要的调控作用。然而,至今未见有关于小鼠原核迁移过程中lncRNAs表达情况的相关报道。本文以小鼠受精卵为研究对象,探讨模拟微重力条件下雌雄原核迁移过程中的分子机制。运用单细胞测序技术,鉴定调控小鼠原核迁移过程的主要lncRNAs分子,并通过qRT-PCR检测测序结果;随后,预测差异lncRNAs潜在调控的靶基因,构建lncRNAs-mRNA互作网络,寻找原核迁移相关lncRNA潜在的作用机制。C18-4细胞作为永生的精原干细胞系,广泛应用于生殖细胞的分子调控机制的研究。本文以C18-4细胞为试验材料,探究lnc007956是否具备蛋白编码能力,并通过双荧光素酶系统分析其与原核迁移相关的微管基因Tubb4b(tubulinbeta-4Bchain)的靶标关系。最后,应用Tet-on-CRISPR/Cas9系统构建条件性诱导敲除TUBB4B的精原干细胞,通过转录组测序等技术分析Tubb4b基因的主要功能。主要结果如下:
1、单细胞测序技术分析发现小鼠雌雄原核迁移过程中共有16个差异表达的lncRNAs分子,qRT-PCR检测结果显示测序准确率达到85.7%。通过数据库分析预测差异表达lncRNAs分子的主要靶基因,构建lncRNAs和靶基因的互作网络,研究发现5个lncRNA-mRNA关系对(lnc007956-Actn4、lnc0013100-Actn4、lnc006745-Actn4、lnc007956-Tubb4b和lnc019410-Tubb4b)可作为小鼠雌雄原核迁移机制的重点研究对象。其中,lnc007956是原核迁移过程中重要的调控分子,是调控原核迁移相关的微丝微管基因(Actn4和Tubb4b)中关键lncRNA。
2、通过构建特异性标签lnc007956-0/T/TT-Flag的表达载体并转染细胞,应用Westernblot技术分析lnc007956不具备蛋白编码能力。通过双荧光素酶系统验证lnc007956和Tubb4b存在靶标关系。过表达或干扰lnc007956会极显著降低或上调(P<0.01)Tubb4b和Tle6基因的表达,这说明lnc007956可以调控小鼠原核迁移和早期胚胎发育。
3、运用条件性诱导敲除的Tet-on-CRISPR/Cas9系统对Tubb4b基因进行诱导敲除,添加Dox可诱导C18-4细胞中Cas9表达发现,在基因组水平上Tubb4b基因发生剪切,在蛋白水平上TUBB4B蛋白成功敲除;不添加Dox诱导,Tubb4b不切割,并表达TUBB4B蛋白。将诱导前后做为合理的对照组和试验组,进行测序分析基因,靶点的编辑效率达到92.3%,成功获得条件性诱导Tubb4b-KO的C18-4细胞。
4、诱导敲除TUBB4B会影响C18-4细胞的增殖以及早期胚胎发育相关基因(H1foo、Tfiid、Prkca、Tle6和Cstb)的表达;利用转录组测序进一步分析发现Tubb4b-KO的C18-4细胞组(S1、S2和S3)和未敲除Tubb4b的C18-4细胞组(C1、C2和C3)差异表达的基因有675个(包括362个上调基因和313个下调基因);这些差异基因主要参与细胞生长和增殖等过程,并显著富集于氨基酸的生物合成、糖酵解和糖异生等信号通路。
综上所述,本研究成功鉴定出原核迁移差异的lncRNAs并构建了相关的lncRNA-mRNA互作网络,发现5对原核迁移相关的lncRNA-mRNA。Lnc007956不能编码蛋白,可以通过靶标结合Tubb4b来调控微管蛋白的表达,进而发挥生物学调控。此外,TUBB4B敲除后的C18-4细胞不仅增殖受到抑制,而且显著降低早期胚胎发育相关基因的表达(P<0.05),为研究Tubb4b在细胞增殖、早期胚胎发育和其他生物进程的作用提供理论基础。本研究全面解析了lncRNA分子lnc007956在雌雄原核迁移中的调控作用机制,丰富了现有的研究理论。
1、单细胞测序技术分析发现小鼠雌雄原核迁移过程中共有16个差异表达的lncRNAs分子,qRT-PCR检测结果显示测序准确率达到85.7%。通过数据库分析预测差异表达lncRNAs分子的主要靶基因,构建lncRNAs和靶基因的互作网络,研究发现5个lncRNA-mRNA关系对(lnc007956-Actn4、lnc0013100-Actn4、lnc006745-Actn4、lnc007956-Tubb4b和lnc019410-Tubb4b)可作为小鼠雌雄原核迁移机制的重点研究对象。其中,lnc007956是原核迁移过程中重要的调控分子,是调控原核迁移相关的微丝微管基因(Actn4和Tubb4b)中关键lncRNA。
2、通过构建特异性标签lnc007956-0/T/TT-Flag的表达载体并转染细胞,应用Westernblot技术分析lnc007956不具备蛋白编码能力。通过双荧光素酶系统验证lnc007956和Tubb4b存在靶标关系。过表达或干扰lnc007956会极显著降低或上调(P<0.01)Tubb4b和Tle6基因的表达,这说明lnc007956可以调控小鼠原核迁移和早期胚胎发育。
3、运用条件性诱导敲除的Tet-on-CRISPR/Cas9系统对Tubb4b基因进行诱导敲除,添加Dox可诱导C18-4细胞中Cas9表达发现,在基因组水平上Tubb4b基因发生剪切,在蛋白水平上TUBB4B蛋白成功敲除;不添加Dox诱导,Tubb4b不切割,并表达TUBB4B蛋白。将诱导前后做为合理的对照组和试验组,进行测序分析基因,靶点的编辑效率达到92.3%,成功获得条件性诱导Tubb4b-KO的C18-4细胞。
4、诱导敲除TUBB4B会影响C18-4细胞的增殖以及早期胚胎发育相关基因(H1foo、Tfiid、Prkca、Tle6和Cstb)的表达;利用转录组测序进一步分析发现Tubb4b-KO的C18-4细胞组(S1、S2和S3)和未敲除Tubb4b的C18-4细胞组(C1、C2和C3)差异表达的基因有675个(包括362个上调基因和313个下调基因);这些差异基因主要参与细胞生长和增殖等过程,并显著富集于氨基酸的生物合成、糖酵解和糖异生等信号通路。
综上所述,本研究成功鉴定出原核迁移差异的lncRNAs并构建了相关的lncRNA-mRNA互作网络,发现5对原核迁移相关的lncRNA-mRNA。Lnc007956不能编码蛋白,可以通过靶标结合Tubb4b来调控微管蛋白的表达,进而发挥生物学调控。此外,TUBB4B敲除后的C18-4细胞不仅增殖受到抑制,而且显著降低早期胚胎发育相关基因的表达(P<0.05),为研究Tubb4b在细胞增殖、早期胚胎发育和其他生物进程的作用提供理论基础。本研究全面解析了lncRNA分子lnc007956在雌雄原核迁移中的调控作用机制,丰富了现有的研究理论。