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  • Nature Communications | 华南师范大学李胜教授团队揭示DNA甲基化如何精确调控蟑螂的卵子成熟过程





20231212日,华南师范大学生命科学学院昆虫科学与技术研究所任充华研究员和李胜教授在Nature Communications期刊(IF=16.6)上以article形式在线发表题为5mC modification orchestrates choriogenesis and fertilization by preventing prolonged ftz-f1 expression的研究论文,从分子水平系统揭示了DNA胞嘧啶甲基化(5mC)如何调控德国小蠊的绒毛膜形成和受精过程,拓宽了大家对表观遗传调控昆虫生殖的认识。

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DNA 5mC修饰是目前研究最深入、最常见的一种表观遗传修饰类型,它通过在DNA链的胞嘧啶的第五号碳原子位置添加甲基基团来实现。DNA甲基化过程由DNMT3负责重头催化,随后由DNMT1负责维持。这种修饰在生物学过程中扮演着关键角色,涉及基因印记、染色体失活以及染色体重塑等方面。DNA甲基化水平的变化通常伴随着基因转录的调控,比如DNA甲基化在启动子区域会抑制基因的转录。尽管我们已经了解到DNA甲基化对昆虫的生殖能力有着极大影响,但其具体的分子机制依然成谜。

为了解决这一谜题,团队选择了蜚蠊目蟑螂德国小蠊(Blattella germanica)作为研究对象。德国小蠊是最为常见且与人类生活密切相关的卫生害虫之一,以其不挑食、饿不坏、不怕脏、长得壮、生得多、打不死的独特生物学特点而被称为小强;而且,该物种的DNA 5mC水平在所有已知的昆虫中最高。

研究揭示,在敲降DNA甲基转移酶1Dnmt1)基因水平时,德国小蠊卵巢中的5mC水平显著下降,并触发了1868个基因的上调。KEGG信号富集显示激素合成信号通路上调显著。通过全基因组DNA甲基化测序(WGBS)和转录组测序(RNA-seq)的联合分析,研究团队发现ftz-f1基因启动子区域的DNA甲基化水平下降,导致其在生殖周期中异常高表达。ftz-f1的异常表达引发了蜕皮激素(20E)滴度和20E信号的异常升高。通过对德国小蠊添加外源20E,可以部分复现Dnmt1 敲降后德国小蠊的表型。ftz-f1的异常高表达还引发了胞外基质金属蛋白酶Mmp1的高表达,而过度的Mmp1表达水平可切割细胞间的粘附蛋白,导致细胞发生凋亡。因此,在Dnmt1基因沉默后,20E水平的升高和Mmp1的异常表达影响了卵子滤泡细胞的正常发育,导致滤泡细胞凋亡、绒毛膜蛋白合成不足以及海绵体(精子进入卵子通道)结构异常,最终阻碍受精过程并影响子代的孵化(图1)。

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                         图1DNA 5mC修饰调控德国小蠊生殖示意图

昆虫作为地球上最多样化的动物类群之一,其高繁殖能力在生态系统中发挥着关键作用。然而,迄今为止,我们对5mC修饰在昆虫生殖中的作用机理知之甚少。这项研究首次证明了昆虫中基因启动子区域的DNA甲基化与基因的转录水平呈负相关性,并找到了串联DNA 5mC修饰和卵子发育的关键“开关”基因ftz-f1,为昆虫繁殖生物学研究提供了新的见解,也为害虫防治提供了新的思路和分子靶标。

李胜教授团队近年来围绕蟑螂为什么叫小强这一科学问题开展一系列研究,在Nature Communications (2), Nature Ecology & Evolution, The Innovation, Molecular Biology & Evolution, DevelopmentBMC Biology等权威期刊发表多篇研究论文。华南师范大学生命科学学院博士研究生赵政和李靓为本文共同第一作者,本科生曾睿辰为第三作者,李胜教授和任充华研究员为通讯作者,华南师范大学为论文第一和通讯作者单位。该研究得到国家自然科学基金重点项目、重点国际合作、面上项目、广东省自然科学基金杰青项目和岭南现代农业实验室基金等基金的资助。

 

原文链接:https://rdcu.be/dtpB2


撰稿 任充华

初审 李胜

复审 周爽

终审 高彩吉

  • 发布时间:
  • 2023-12-13 09:43:00 来源:华南师范大学生命科学学院 点击: 收藏本文
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