科學報導 表觀遺傳學

讓卵子凍齡─MLL2蛋白的卵子表基因調控

卵子的健康,是婦女生殖的一大課題。隨著逐年高攀的初產婦年齡,許多高齡產婦的不孕問題,其實就是起因於卵子老化。坊間甚至有不少業者推出凍卵服務,讓消費者能讓卵子青春永駐,許自己下一代更健康的未來。而英國最新研究指出,表基因修飾就是讓女性的卵細胞青春永駐的秘密!廣為人知的表基因修飾疾病,像是小胖威利及天使症候群,為醫學院學習到表基因遺傳時,一定會有的學習重點。今年年初的最新文獻,則揭露一種稱為 MLL 蛋白之表基因修飾功能。這種表基因修飾有獨特的標記模式,此蛋白若有缺陷,卵子會無法順利成熟,進而造成不孕 [1]。

動物的有性生殖系統中,精卵配子系統是其中的男女主角。除了攜帶親代 DNA 的重要任務之外,DNA 之上的表基因遺傳也是相當重要的一環。表基因調控在調節細胞分化、胚胎發育、幹細胞重編程 (Reprogramming) 階段一直扮演重要角色。譬如廣為人知的組蛋白 H3 四位賴氨酸 (Lysine) 三甲基化 (H3K4me3),便和啟動子 (promoter) 的活性密切相關。然而,儘管科學家逐漸對應出不同重編程 (Reprogramming)、分化階段的染色質表基因修飾譜,對於其中詳細的調節機制依然有尚未明白之處 [1]。

今年元月,英國 Babraham Institute 的 Gavin Kelsey 團隊為我們帶來部分解答。他們長期針對精卵細胞的表基因調節進行研究 [2]。他們研究 MLL2 蛋白的調控機制,發現 MLL2 會產生獨特的卵子表基因修飾模式。事實上,MLL2便是藉由前面介紹的H3K4me3 表基因修飾達成對於卵子發育 (oogenesis) 的基因調控 [1]。

研究中,Gavin Kelsey 團隊主要在小鼠卵子發育模型中,鎖定幾個重要的組蛋白 (histone) 調控位置進行研究─甲基化的 H3K4 和 H3K27 以及乙醯化 histone H3K27。他們採用了所謂低通量 (low-input) 染色質免疫沉積法 (Chromatin Immunoprecipitation, or ChIP) 以研究產量稀少的卵子。此方法能夠以少量的卵子發育研究樣本產生高解析度的甲基化分布譜。他們發現,獨立調控卵子發育時期的甲基化機制其實有兩種。其一便是他們研究的重點 ─ MLL2 蛋白的作用,此機制與卵子發育時的基因轉錄反應、鄰近基因表現無關。另一機制則是隨著基因轉錄反應而持續增加甲基化修飾,而且會影響到周遭基因的表現。而 MLL2 鎖定的甲基化目標,往往是未甲基化的富含 CG 位點 (CpG-rich regions)。基因本體高度甲基化之處,其啟動子則較少成為 MLL2 修飾的目標。雖然 MLL2 蛋白的調控機制還尚待進一步研究,但科學家已經發現 MLL2 在卵子發育過程舉足輕重 [1]。

在 MLL2 蛋白 knock-out 的模型中,卵細胞會變得無法順利成熟、排卵、受精。而在表基因修飾方面,觀察到顯著地減少了相對應的 H3K4me3。這樣的變化,很可能是造成卵細胞隨後停止發育的原因。這樣的現象,除了直接或間接受到因為上述表基因修飾而改變的轉錄反應,也不排除 MLL2 蛋白產生的 H3K4me3 修飾是卵細胞成熟的必要條件。卵子在排卵之前,長期處在休眠狀態。在幼年時期,卵子細胞多維持在此狀態。這樣的休眠狀態中,雖然不再進行細胞分裂,但會讓卵細胞有足夠時間進行各種表基因修飾。沒有穩定的休眠期,卵細胞將無法成熟,也使得母體喪失生育能力。而正常的個體,則是直到生殖系統發育漸漸成熟,卵子進入濾泡期後,才會重新啟動卵子發育,逐步完成減數分裂。研究者發現,MLL2 的調節,很可能與此相關。支持這個理論的證據,包含觀察受精卵發育時,去除這些 MLL2 相關的甲基化修飾 (H3K4me3),才能啟動胚胎發育時必要轉錄反應。而如果過度表現去甲基化酶來干涉 MLL2 的作用,則能夠在一般細胞重現類似前述的轉錄反應 [1]。

「藉由這個發現,我們除了能進一步拓展表基因調控的知識,也更認識生殖細胞的分化、形成的過程」第一作者Courtney Hanna 博士表示 [3]。期待該團隊繼續為我們揭密卵子表基因調控的玄機,以及如何影響到之後胚胎發育的過程。

圖片來源:https://goo.gl/y3Vs8m  圖片說明:精卵表基因調控是配子發育的幕後籌畫者

 

參考文獻:

  1. Hanna, C. W., Taudt, A., Huang, J., Gahurova, L., Kranz, A., Andrews, S., … Kelsey, G. (2018). MLL2 conveys transcription-independent H3K4 trimethylation in oocytes. Nature Structural & Molecular Biology25(1), 73-82. doi:10.1038/s41594-017-0013-5
  2. Institute, B. (n.d.). Babraham Institute » Gavin Kelsey. Retrieved from https://www.babraham.ac.uk/our-research/epigenetics/gavin-kelsey
  3. Keeping egg cells fresh with epigenetics: Epigenetic marks and the MLL2 protein place egg cells in stasis throughout childhood. (2018, September 22). Retrieved from https://www.sciencedaily.com/releases/2018/01/180101144755.htm

撰文|謝典戰

審稿|藍冠鈞

 

About the author

謝典戰

謝典戰

就讀陽明醫學系,目前在高雄榮總實習。曾在北榮幹細胞研究室III執行科技部大專生計畫,赴Duke進行短期Cancer biology研究。參加國際基因工程競賽(iGEM)時,因緣際會獲邀至臺灣醫學生研究通訊(Investigator前身),開始撰稿和採訪,期待Investigator傳媒能持續讓更多人喜歡科學。

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