国自然热点 “相分离&翻译组学” 研究文献解读之FXR1发生相分离激活FXR1颗粒中存储mRNA的翻译，驱动精子生成

LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs

FXR1的LLPS通过激活储存的mRNA的翻译来驱动精子发生

期刊：Science

IF：63.714

男性生殖不育全世界多达7%的男性受到不育症的影响，异性恋夫妇中的生育问题半数出于男性。在大部分男性不育症病例中，医生找不到可以解释的原因。临床上把男性不育分为性功能障碍和性功能正常两类，后者依据精液分析结果可进一步分为无精子症、少精子症、弱精子症、精子无力症和精子数正常性不育。

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精子发生过程：

生精干细胞→精原细胞→精母细胞→精子细胞→成熟精子→释放到曲细精管腔中。

在精子细胞形变过程中，随着细胞核被逐步压缩，基因组的转录活动将逐渐降低直至完全停止。后期精子细胞发育所需基因需提前转录为信使核糖核酸（mRNA），然后以翻译抑制状态储存于信使核糖核蛋白（mRNPs），至特定发育阶段再被激活翻译，以合成蛋白质发挥功能。然而，这些后期精子细胞中储存的mRNA如何被翻译激活，科学家对其中的机制知之甚少。

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RNP颗粒：在真核细胞中以非膜结合亚细胞区室的形式广泛存在，可能富集蛋白质和/或核酸，以实现特定细胞过程中的时空控制。那些被RNA结合蛋白（RBPs）结合的RNA被认为自发组织成无膜细胞器。这一过程被称为液-液相分离（LLPS），被归因于RBP的内在无序区（IDRs）。在发育中的生殖细胞中，RNP颗粒被称为生殖颗粒。它们显著存在于细胞质中，并储存非翻译的mRNA。例如， 拟染色体（chromatoid body, CB）是哺乳动物雄性生殖细胞中最大的RNP颗粒，在小鼠减数分裂后精子中储存>800个mRNA。然而，与其他惰性mRNP一样，人们对储存在生殖颗粒中的这些mRNA在生殖细胞发育过程中如何被重新激活知之甚少？？？

1. FXR1是晚期精子发生过程中的潜在翻译调节因子

多聚核糖体分析结果显示，相对于25dpp睾丸， FXR1在35dpp睾丸升高，嘌呤霉素处理后降低了35dpp多聚核糖体部分中存在的FXR1蛋白。

这些结果表明FXR1是LS中潜在的翻译调节因子。

2. FXR1 结合小鼠 LS 中的翻译活性 mRNA

这些结果共同表明FXR1参与晚期精子发生的翻译激活。

3. FXR1耗竭损害成年小鼠睾丸中基因亚群的翻译

这些结果表明，FXR1参与了小鼠睾丸中mRNA亚基的翻译激活

4. FXR1对小鼠的精子发生和雄性生育能力至关重要

FXR1的种系特异性耗竭导致小鼠雄性不育。

这些结果证明了FXR1在小鼠精子发育和雄性生育能力中的功能重要性。

5. FXR1 在 LS 中将转化因子招募到 FXR1 颗粒

真核翻译起始因子4γ3（ EIF4G3）：一种组织EIF4F复合物组装到mRNA上以起始帽依赖性翻译的支架蛋白。小鼠基因组编码三个EIF4G成员，但只有EIF4G3对雄性生育能力至关重要。

EIF4G3需要FXR1才能有效结合靶mRNA。

鉴于LS中FXR1和EIF4G3蛋白显著升高，推测这些缩合物的形成可能是由LLPS的浓度依赖性过程特征驱动的。

这些结果表明，FXR1通过招募翻译机制的多个组件来协调其靶mRNA的翻译激活。

6. FXR1 经历相分离以在 LS 中形成 mRNP 颗粒

为了确定FXR1缩合物是否具有将靶mRNA组装为mRNP颗粒的功能，作者将Alexa Fluor 488标记的FXR1蛋白与Cy3-标记的Gpd2 mRNA混合。

这些结果支持FXR1和靶mRNA在LS中形成mRNP颗粒。

7. FXR1相分离对于其靶标的平移激活至关重要

这些结果表明，FXR1a将靶mRNA募集到FXR1a颗粒中以触发其翻译。

这些数据支持相分离对于FXR1介导的目标翻译至关重要。

8. 相分离是小鼠精子形成所必需的

FXR1的相分离是小鼠精子发育所必需的功能。

机制：

在圆形精子细胞中，低水平表达的FXR1协同其他RNA结合蛋白结合胞质mRNA转录本，组装成翻译抑制状态的mRNPs；在精子形成后期，随着表达水平升高，FXR1发生相分离形成FXR1颗粒富集靶mRNA，并与EIF4G3等翻译起始因子相互作用招募翻译机器，激活FXR1颗粒中存储mRNA的翻译，驱动大量后期精子形成所需蛋白的合成，以此保障精子细胞发育和精子生成.

结论：

研究结果表明，FXR1是一种重要的翻译激活剂，可指导小鼠的精子发生，并揭示FXR1 LLPS对小鼠精子中储存的mRNA的翻译激活和小鼠雄性生育能力的关键贡献。

参考文献：

LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs

JunYan Kang # 1, Ze Wen # 1, Duo Pan # 1, Yuhan Zhang # 2, Qing Li # 1, Ai Zhong # 1, Xinghai Yu # 3 4, Yi-Chen Wu 1, Yu Chen 5, Xiangzheng Zhang 5, Peng-Cheng Kou 1, Junlan Geng 1,Ying-Yi Wang 1, Min-Min Hua 1 6, Ruiting Zong 7, Biao Li 8, Hui-Juan Shi 6, Dangsheng Li 1, Xiang-Dong Fu 9, Jinsong Li 1 10 11, David L Nelson 7, Xuejiang Guo 5, Yu Zhou 3 4, Lan-Tao Gou 1, Ying Huang 2, Mo-Fang Liu 1 10 11

Affiliations expand
PMID: 35951695 DOI: 10.1126/science.abj6647