2023年2月華中科技大學周立全、武漢大學尹太郎及楊菁共同通訊（梅寧華、郭詩萌及周琪為論文第一作者）在Advanced Science（IF=17.521）發表了題為“H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice”的研究成果。該研究通過構建H3.3-K4M轉基因小鼠，表明H3K4甲基化缺陷對卵母細胞和早期胚胎發育具有細胞毒性作用。H3K4甲基化降低可誘導小鼠卵母細胞中全局DNA甲基化的增強，從而影響線粒體動力學調節因子的表達而導致線粒體功能障礙，破壞卵母細胞發育潛能，導致雌性不育。

安諾優達為本次研究提供了WGBS建庫測序服務。

文章題目

H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice

發表期刊

Advanced Science

影響因子

17.521

研究背景

隨著年齡的增加，小鼠卵母細胞發育潛能逐漸降低，據相關報道，此現象與卵母細胞中H3K4甲基化水平的降低密切相關，H3K4甲基化對卵母細胞發育潛能起到重要的調控作用。然而，H3K4甲基化如何調節卵母細胞發育仍在很大程度上未被探索。以往研究，多通過構建基因敲除小鼠模型來探索H3K4甲基化的功能，但由于H3K4甲基化轉移酶具有冗余性和非組蛋白的催化底物，使得這種組蛋白修飾的功能研究具有一定的局限性。組蛋白H3.3 K-to-M（賴氨酸到蛋氨酸）突變能夠抑制相應位點的甲基化修飾，可干擾組蛋白甲基化轉移酶中SET活性結構與組蛋白對應位點的識別，使得相關修飾水平顯著下調。

材料選擇

H3.3-WT和H3.3-K4M轉基因小鼠模型研究結果

作者通過構建H3.3-K4M和H3.3-WT轉基因小鼠模型，以研究H3K4甲基化對小鼠卵母細胞發育潛力的影響及其相關機制。研究發現H3.3-K4M突變體的卵細胞特異性表達可導致小鼠卵母細胞中H3K4甲基化水平降低，從而造成卵母細胞發育受到干擾，卵泡總數減少卵巢變小，出現雌性小鼠不孕現象。

圖1 H3.3-K4M雌性小鼠不孕，卵母細胞發育不成熟

通過轉錄組分析發現，H3.3-WT卵母細胞和H3.3-K4M卵母細胞之間存在顯著的轉錄組差異，H3.3-K4M卵母細胞中線粒體和其他細胞器的活性受到RNA水平的影響。通過免疫熒光和EU染色及比較RNA聚合酶II（RNA Polymerase II, Pol II）在生長期卵母細胞中的全基因組分布等方法，發現H3.3-K4M轉基因小鼠生長期卵母細胞中，Pol II在轉錄起始位點（TSS）和遠端區域富集顯著低于H3.3-WT轉基因小鼠，表明卵母細胞總體轉錄活性降低。

圖2 H3.3-WT/K4M卵母細胞的轉錄組分析

通過WGBS實驗，RNA-seq結合qRT-PCR驗證，發現H3K4甲基化缺失會誘導H3.3-K4M卵母細胞中全基因組DNA甲基化增強，導致H3.3-K4M卵母細胞中的異?；虮磉_，線粒體動力學調節因子Drp1和Opa1表達下調，線粒體功能受損，氧化應激水平升高，卵母細胞和顆粒細胞出現凋亡現象。

圖3 H3.3-K4M卵母細胞中Drp1表達下調

總結

該研究揭示H3.3-K4M的卵細胞特異性表達可導致小鼠卵母細胞中H3K4甲基化水平降低，致使卵母細胞轉錄活性降低，全局DNA甲基化增加，并引起卵母細胞中線粒體功能障礙，導致氧化應激水平升高，誘導卵母細胞和顆粒細胞凋亡，引起卵泡在早期發育階段耗竭，最終導致卵母細胞發育停滯，卵巢大小減小，雌性小鼠不孕。