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刘木根组发现剪接因子Prpf31调控斑马鱼视网膜发育和分化

作者:luojiao 发布时间:2021/4/2 12:00:00

撰文 | 李井振


      真核生物mRNA成熟前需要在细胞核中经过Pre-mRNA的剪接加工过程,即前体RNA在剪接复合体的作用下,通过精确识别并移除内含子并把外显子进行拼接而得到成熟的mRNA,mRNA加工后再出核在核糖体中指导翻译成蛋白质。基因的剪接是重要的转录后调控,对于基因差异表达、组织器官发育调控和正常功能的维持具有重要生理意义。


      
剪接过程在剪接复合体的精细调控下完成。剪接复合体由五种核心snRNA(U1、U2、U4、U5、U6)以及约300种剪接相关蛋白构成。由于剪接的重要性,一些剪接因子的纯合突变往往引起胚胎致死,以致于这些相关基因在动物发育中的生理功能一直未能得到阐明。在人类剪接因子的突变可引起多种疾病,包括癌症、视网膜色素变性(RP)、再生障碍性贫血(MDS)等。PRPF31是一种机体各组织广泛表达的组成型剪接因子,其突变可引起视网膜色素变性,一种常染色体显性遗传可致患者失明的眼科遗传病,但其致病的分子机制尚不清楚。目前世界上也没有治疗该病的有效手段。同时对于一种在人类各种组织中广泛表达的重要基因,突变后为何只引起视网膜感光细胞死亡也长期困扰着学术界。


    
1月21日,华中科技大学生命科学与技术学院刘木根课题组在Nucleic Acids Research杂志上发表题为
“Prpf31 is essential for the survival and differentiation of retinal progenitor cells by modulating alternative splicing”的研究论文。该论文以模式动物斑马鱼为研究材料,首次发现人类PRPF31在斑马鱼的同源基因prpf31在视网膜发育过程中发挥重要的调控功能,并提出PRPF31基因突变引起视网膜色素变性的病理机制




      由于体外受精和发育,斑马鱼是研究早期胚胎发育很好的模式生物。刘木根课题组以斑马鱼为材料研究剪接因子在早期胚胎发育中的作用,首次发现剪接因子Bcas2通过调控Mdm4的剪接,在斑马鱼造血干细胞发育和维持中发挥重要作用[1]。在这篇NAR论文中他们研究视网膜色素变性致病基因PRPF31在视网膜的发育和分化过程中的作用。博士生李井振等应用cas9技术在斑马鱼中敲除prpf31,发现基因敲除斑马鱼的视网膜发育和分化存在严重缺陷。突变体斑马鱼的视网膜神经祖细胞(RPCs)不能正常地分化各种视网膜细胞。组织学分析表明prpf31基因敲除导致斑马鱼缺乏视杆细胞和各类视锥细胞,也不能分化出神经节细胞、无长突细胞和双节细胞等各类视网膜功能细胞。进一步细胞学研究发现在缺失Prpf31的情况下,视网膜祖细胞呈现明显的凋亡,细胞周期检测发现RPC细胞的有丝分裂阻滞在M期。应用人类PRPF31基因和斑马鱼prpf31进行回补实验,均可以有效拯救斑马鱼视网膜的发育和分化缺陷表型,而导致人类RP的PRPF31突变则不能有效回补。研究者还发现prpf31突变斑马鱼视网膜祖细胞呈现明显的细胞凋亡以及细胞内DNA损伤修复自己缺陷。


      
应用转录组测序发现prpf31突变导致斑马鱼视网膜细胞中p53及其信号通路的激活,也发现一些视网膜感光细胞中特异基因的表达受到显著影响。剪接组分析发现prpf31
的敲除破坏了一些参与有丝分裂及DNA损伤修复相关基因的剪接。通过比较突变体中不同组织pre-mRNA的剪接,李井振等还发现视网膜组织对Prpf31的缺失更加敏感,这些发现在一定程度上可以解释PRPF31突变引起人类视网膜细胞发生病变的分子机制。



图1 Prpf31调控视网膜发育示意图

      华中科技大学刘木根和唐朝晖教授为论文的共同通讯作者,刘木根指导的博士研究生李井振和博士后刘飞,以及博士生吕月霞为论文共同第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目和科技部重大研发计划的资助。据悉,该研究涉及的斑马鱼品系将保藏至国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心。


参考文献:

1. Yu S, Jiang T, Jia D, Han Y, Liu F, Huang Y, Qu Z, Zhao Y, Tu J, Lv Y, Li J, Hu X, Lu Z, Han S, Qin Y, Liu X, Xie S, Wang QK, Tang Z, Luo D, Liu M. BCAS2 is essential for hematopoietic stem and progenitor cell maintenance during zebrafish embryogenesis. Blood. 2019 Feb 21;133(8):805-815. 

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