苏俊实验室本年发表一系列论文揭示卵母细胞染色质成熟的机制并针对不同类型的染色体异常开发干预手段

哺乳动物卵母细胞的两种染色质构象

2025年12月12日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院苏俊实验室在《Nature Communications》杂志发表了题为"Natural degradation of RNA polymerase II is essential for oocyte chromatin reorganization and maternal-to-zygotic transition"的研究论文。该研究发现发育过程中RNA聚合酶II的自然降解是卵母细胞染色质从NSN转变成SN构象的关键驱动因素。

通过分选不同染色质构象的卵母细胞并进行高分辨成像，研究人员首先系统比较了NSN型和SN型卵母细胞中大概30种不同核蛋白的染色强度与分布，发现大多数核蛋白在SN型卵母细胞里被下调。为筛选能驱动NSN向SN转变的关键核蛋白，研究人员采用小分子抑制剂与mRNA过表达的手段来模拟NSN向SN转变过程中不同蛋白的变化，意外发现一种名为放线菌素D（ActD）的化学小分子可以瞬时诱导NSN向SN转变。

ActD是一种DNA嵌入剂，可以同时抑制RNA聚合酶I和II。利用特异的RNA聚合酶I和II抑制剂，研究人员发现只有RNA聚合酶II（RNAPII）的抑制剂α-鹅膏蕈碱（α-amanitin）和雷公藤内酯（Triptolide）可以诱导NSN向SN转变（图2）。通过进一步的表观遗传、高通量染色质构象捕获和卵子发育潜能等测试，确认了经α-amanitin诱导出来的和自然的SN型卵母细胞高度相似。RNAPII是mRNA转录的关键酶。为了明确NSN向SN转变是否直接由转录沉默所介导，研究人员采用了另一类RNAPII抑制剂核苷类似物直接终止其转录活动。有趣的是，核苷类似物可以有效的抑制转录但未能诱导NSN向SN转变，说明α-amanitin和triptolide经其他途径介导NSN向SN转变。经过一系列的排查，研究人员最终发现α-amanitin和triptolide实际上并不直接抑制转录，而是通过降解RNAPII而发挥其作用。

RNAPII抑制剂能体外诱导卵母细胞染色质的NSN向SN转变

要证明NSN向SN转变与内源RNAPII的蛋白水平相关，需要在卵母细胞里敲除或敲降RNAPII。可是RNAPII是细胞里的必需基因，无法通过遗传学手段获得RNAPII敲除的卵母细胞。为此，研究人员革新了2017年发表的Trim-Away急性蛋白去除技术，通过把单链抗体与Trim21 E3泛素化酶的RING结构域融合开发出了miniTrim-Away技术，克服了原技术不能靶向长期滞留在核内的蛋白的痛点。通过RNAPII的miniTrim-Away，研究人员成功在小鼠和人卵母细胞里瞬时降解内源RNAPII并确立其降解驱动NSN向SN转变（图3）。进一步的体内实验亦发现NSN向SN转变与RNAPII的天然降解有关，利用解折叠酶和蛋白酶体抑制剂可以在离体卵泡培养模型中阻止NSN向SN转变的发生。

利用新开发的miniTrim-Away技术降解内源RNAPII并重现NSN向SN转变的表型

为了深入解析RNAPII降解如何驱动NSN向SN转变，研究人员通过超分辨成像、CUT&Tag和磷酸酶抑制剂处理发现转录活跃的磷酸化RNAPII会积累在染色质（尤其是在转录活跃的转录起点和转录终点后10kb的区域）并参与NSN向SN的转变，而不活跃的非磷酸化RNAPII会游离在核质。因此，研究人员提出假设：磷酸化RNAPII的结合约束了染色质动态，继而把染色质锁在了弥散的NSN构象。利用高速活细胞成像和均方位移分析，研究人员发现NSN型染色质的动态的确比SN型的低。进一步，研究人员通过过表达组蛋白H2B和锚定染色质到核膜上这两种不同限制染色质动态的方法，在功能层面上证明了约束染色质的动态可以阻止NSN向SN转变时旁染色质的凝聚。意外的是，这两种干预并不影响核仁边染色质的凝聚，说明在RNAPII降解的过程中有两种不同的作用力驱动NSN向SN转变：一种是染色质动态恢复所产生的塌陷力，而另一种可能是与核仁表面有关的吸引力。通过向核内注射核仁大小的无生物活性油滴和利用没有核仁的Npm2条件敲除小鼠，研究人员最终发现RNAPII的降解同时会引发核仁表面蛋白的重塑，并提出哺乳动物卵母细胞染色质从NSN向SN转变的完整模型（图4）。

本研究提出的哺乳动物卵母细胞染色质成熟的机制

综上，本研究首次揭示卵母细胞染色质成熟的机制：生长过程中，RNAPII会经非经典的非泛素化依赖途径逐渐被降解。随着RNAPII从染色质上被剥离，转录终止的同时会增加染色质动态和引发核仁表面重塑，继而产生两种不同的作用力驱动NSN向SN转变。若该过程受阻，受精卵的RNAPII蛋白水平和定位会出现异常，影响母源向合子转变和后期早期胚胎发育。

苏俊实验室的博士生王静为该论文的第一作者。北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院苏俊研究员、黎斌研究员和中南大学基础医学院/中信湘雅生殖与遗传专科医院林戈教授为本文的共同通讯作者。论文的其他作者包括黎斌实验室的李网、中南大学基础医学院/中信湘雅生殖与遗传专科医院郭静副教授和北京家圆医院徐小明博士在多组学数据分析和人卵母细胞的募集做出了贡献。该研究得到了科技部国家重点研发项目、北京生命科学研究所、国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目（海外）以及阿里巴巴达摩院青橙奖的资助。

此外，今年十月份苏俊实验室与南京大学医学院附属鼓楼医院的孙海翔教授和丁利军教授合作在《Nature Aging》杂志发表了题为"Mevalonate metabolites boost aged oocyte quality through prenylation of small GTPases"的研究论文，苏俊研究员为共同通讯作者。在卵母细胞组装纺锤体的过程中，肌动蛋白会在纺锤体内外成核微丝，维持染色体排列与分离的准确性，但是卵子老化是否通过微丝从而导致染色体数目异常未明。研究团队观察到卵子的微丝组装和甲羟戊酸代谢会随着衰老而下降。通过在卵丘-卵母细胞复合体培养或在体补充甲羟戊酸通路的代谢物，发现甲羟戊酸通路可以经异戊二烯化修复高龄卵母细胞的微丝网络，大幅减少染色体数目异常并提高高龄受精卵的发育潜能，且此效应经由卵丘细胞所介导。利用新合成的甲羟戊酸代谢物法尼醇alk-FOH探针和点击化学，研究团队对卵丘-卵母细胞复合体进行标记示踪，发现甲羟戊酸代谢物经卵丘细胞的跨透明带伪足和间隙连接运输到卵母细胞的皮层，进而促进皮层蛋白的异戊二烯化。通过生化分析与异戊二烯化位点突变体的表达实验，进而发现甲羟戊酸代谢可以影响微丝成核相关蛋白（如CDC42和RAC1）的异戊二烯化，减少其皮层定位，从而影响微丝的组装。为了在临床上实现甲羟戊酸代谢通路的调控，研究团队进行了筛选并鉴定出一种从传统中药分离、带有异戊二烯旁支的天然化合物8-IPF。8-IPF与甲羟戊酸一样可以修复高龄卵母细胞的微丝网络，减少衰老所引起的染色体数目异常并提高高龄小鼠的产仔数。该研究工作为回补甲羟戊酸通路的代谢物作为减少衰老所导致的染色体数目异常和提高高龄受精卵发育潜能提供科学依据。

另外，今年十一月份苏俊实验室与北京家圆医院的徐小明博士合作在《Journal of Ovarian Research》杂志发表了题为"Healthy live birth after microsurgical enucleation of tripronculear human zygote derived from ICSI: a case report"的研究论文，苏俊研究员为共同通讯作者。正常的卵子在受精后会恢复并完成第二次减数分裂，从而形成双原核胚胎。第二次减数分裂失败会导致第二极体无法排出，形成带有多余母源染色体拷贝的三原核胚胎。这类胚胎一般在单精子注射周期中所发生（ICSI-3PN），但体外受精周期中多精受精所形成的三原核胚胎（IVF-3PN），ICSI-3PN胚胎并没有细胞骨架方面的问题。由于三原核胚胎皆为三倍体，为了避免染色体数目异常的风险，目前临床的三原核胚胎一律以废弃处理。可是有部分卵子质量不好的病人在ICSI受精后往往会经常形成三原核胚胎，以致没有胚胎可用于移植。为了帮助这一类病人，研究团队通过显微操作拯救ICSI-3PN胚胎。利用第一极体的位置、原核大小及核仁数目等信息分辨雌雄原核，进而通过显微操作去除额外的雌原核实现双倍体的恢复。利用非侵入性遗传学筛选排除去核后形成的囊胚的三倍体的风险，在伦理委员会的批准与病人的知情同意下进行胚胎移植，最终病人成功诞下一个目前十月龄大的健康男婴。该研究为因反复出现卵子第二次减数分裂失败而无可移植胚胎的病人带来了活产的可能。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-67476-z