Adv Sci | 范衡宇/戴兴兴团队揭示PABPN1偶联母源mRNA多聚腺苷酸化与翻译驱动小鼠卵母细胞减数分裂成熟

卵母细胞减数分裂成熟是雌性生殖的关键步骤，这一过程高度依赖于母源mRNA的精确调控。母源mRNA的多聚腺苷酸化（polyadenylation）是调控其稳定性与翻译效率的核心机制，直接影响卵母细胞成熟质量。然而，细胞质中母源mRNA如何实现精确的多聚腺苷酸化动态调控，其分子机制尚不清楚。

浙江大学范衡宇教授与戴兴兴研究员团队在Advanced Science发表研究，发现poly(A)结合蛋白PABPN1在卵母细胞细胞质中发挥关键调控作用：PABPN1通过偶联母源mRNA的多聚腺苷酸化与翻译，驱动卵母细胞减数分裂成熟。该研究揭示了PABPN1不依赖于其经典核内功能的细胞质新角色，为理解母源mRNA代谢网络提供了重要补充。

研究发现，PABPN1在生发泡（GV）期卵母细胞核中高表达，但在生发泡破裂（GVBD）后迅速弥散至细胞质。卵母细胞特异性敲除Pabpn1导致雌性完全不育，GVBD受阻，纺锤体组装异常，染色体排列紊乱，且受精后胚胎发育停滞于1细胞期（图1）。

图1：PABPN1在小鼠卵母细胞减数分裂成熟过程中的表达与定位，及其缺失导致的发育缺陷。A: PABPN1在小鼠卵母细胞生长及减数分裂成熟过程中的荧光定位。B: 野生型（WT）和Pabpn1基因敲除雌鼠的生殖力评估。C-D: Pabpn1缺失对卵母细胞减数分裂成熟过程中生发泡破裂（GVBD）率及第一极体（PB1）排出率的影响。E: 野生型和Pabpn1缺失卵母细胞内纺锤体形态及染色体排布的荧光定位。F: 野生型和Pabpn1基因敲除雌鼠的早期胚胎发育表型分析。

机制研究表明，PABPN1缺失导致成熟促进因子（MPF）关键组分Ccnb1和Cdc25b的翻译水平显著下降，CDK1无法完成去磷酸化激活，核纤层蛋白Lamin A/C磷酸化受阻，最终导致GVBD失败（图2）。回补激活形式的CDK1可部分挽救GVBD缺陷，证实PABPN1通过调控MPF活性影响减数分裂恢复。进一步研究发现，PABPN1缺失导致卵母细胞整体翻译活性显著下降。利用3′-UTR荧光报告系统检测发现，Cdc25b、Ccnb1和Btg4等关键母源因子的翻译效率均受到明显抑制，证实PABPN1通过调控靶mRNA翻译影响卵母细胞成熟进程。

通过构建PABPN1截短突变体，研究团队发现其RNA结合结构域（RRM）和poly(A)聚合酶（PAPα）互作结构域对卵母细胞成熟至关重要。过表达缺失任一功能域的突变体均导致GVBD缺陷和纺锤体异常，且无法挽救Pabpn1敲除卵母细胞的表型。RNA免疫共沉淀（RIP）实验进一步显示，PABPN1与CPSF4协同结合靶mRNA，共同促进其多聚腺苷酸化。PAIso-seq2测序分析显示，PABPN1缺失导致GV-MI过渡期本应加尾的转录本poly(A)尾显著缩短，而本应去尾的转录本则异常延长。特别是，Ccnb1、Btg4等关键因子的poly(A)尾在PABPN1缺失后发生紊乱，poly(A)尾检测（PAT assay）进一步证实了这一结果。转录组测序表明，PABPN1缺失导致MI期卵母细胞中大量转录本异常积累或下调，部分在正常卵母细胞成熟过程中应被降解的转录本在PABPN1缺失后异常稳定，证实PABPN1通过促进母源mRNA的程序性降解维持转录组稳态。

图2：PABPN1缺失导致CDK1激活失败及翻译活性下降。A-B: WT与Pabpn1缺失卵母细胞内p^T14,Y15CDK1的免疫荧光定位及荧光强度定量分析。C-D: WT及Pabpn1缺失卵母细胞内p^T161CDK1的分布差异及定量比较。E-F: 免疫荧光显示Pabpn1缺失对卵母细胞p^S22Lamin A/C亚细胞定位与表达水平的影响。G: 蛋白免疫印迹检测WT和Pabpn1缺失卵母细胞内CDK1磷酸化和促成熟因子（MPF）相关蛋白的表达水平。

综合上述发现，本研究提出工作模型：PABPN1在卵母细胞细胞质中与CPSF4和PAPα协同作用，促进Ccnb1、Cdc25b等MPF相关因子及Btg4等去腺苷酸化因子的多聚腺苷酸化，一方面保障CDK1激活驱动减数分裂恢复，另一方面通过调控母源mRNA清除机制维持转录组稳态（图3）。这一发现将PABPN1的功能从经典的核内mRNA加工拓展至细胞质翻译调控，为理解卵母细胞成熟的分子机制提供了新视角。

图3：PABPN1协调母源mRNA多聚腺苷酸化与降解的工作模型

研究团队长期致力于卵母细胞mRNA代谢调控研究，在领域内取得了一系列系统性成果：系统解析了母源mRNA 3′-UTR中PAS和CPE元件组合调控翻译的时序性规律（Nucleic Acids Research 2019）；揭示了CNOT6/6L通过调控mRNA降解维持卵泡发育的新机制，首次报道CCR4-NOT复合体不同催化亚基在生殖中的独立功能（Cell Reports 2021）；发现由PABPN1和poly(A) mRNA通过液-液相分离形成的无膜细胞器NPAD，阐明其通过调控新生mRNA的剪切、加尾及储存维持mRNA稳态（Science Advances 2022）。本项研究是在这些前期工作基础上的自然延伸与深化：进一步揭示PABPN1在小鼠卵母细胞减数分裂成熟过程中调控母源转录本的多聚腺苷酸化、翻译和降解的新功能，从NPAD的核内mRNA加工功能，拓展至PABPN1在细胞质中偶联多聚腺苷酸化与翻译的新角色；从3′-UTR调控规律的解析，深入到具体靶基因（Ccnb1、Btg4）的分子机制验证；从mRNA降解网络的建立，完善了“多聚腺苷酸化-翻译-降解”偶联调控的理论框架。这一系列工作系统构建了卵母细胞mRNA代谢调控的完整图景，为理解母源mRNA命运决定机制提供了重要理论基础。