2023年2月华中科技大学周立全、武汉大学尹太郎及杨菁共同通讯（梅宁华、郭诗萌及周琪为论文第一作者）在Advanced Science（IF=17.521）发表了题为“H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice”的研究成果。该研究通过构建H3.3-K4M转基因小鼠，表明H3K4甲基化缺陷对卵母细胞和早期胚胎发育具有细胞毒性作用。H3K4甲基化降低可诱导小鼠卵母细胞中全局DNA甲基化的增强，从而影响线粒体动力学调节因子的表达而导致线粒体功能障碍，破坏卵母细胞发育潜能，导致雌性不育。
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文章题目
H3K4 methylation promotes expression of mitochondrial dynamics regulators to ensure oocyte quality in mice
发表期刊
Advanced Science
影响因子
17.521
研究背景
随着年龄的增加，小鼠卵母细胞发育潜能逐渐降低，据相关报道，此现象与卵母细胞中H3K4甲基化水平的降低密切相关，H3K4甲基化对卵母细胞发育潜能起到重要的调控作用。然而，H3K4甲基化如何调节卵母细胞发育仍在很大程度上未被探索。以往研究，多通过构建基因敲除小鼠模型来探索H3K4甲基化的功能，但由于H3K4甲基化转移酶具有冗余性和非组蛋白的催化底物，使得这种组蛋白修饰的功能研究具有一定的局限性。组蛋白H3.3 K-to-M（赖氨酸到蛋氨酸）突变能够抑制相应位点的甲基化修饰，可干扰组蛋白甲基化转移酶中SET活性结构与组蛋白对应位点的识别，使得相关修饰水平显著下调。
材料选择
H3.3-WT和H3.3-K4M转基因小鼠模型研究结果
作者通过构建H3.3-K4M和H3.3-WT转基因小鼠模型，以研究H3K4甲基化对小鼠卵母细胞发育潜力的影响及其相关机制。研究发现H3.3-K4M突变体的卵细胞特异性表达可导致小鼠卵母细胞中H3K4甲基化水平降低，从而造成卵母细胞发育受到干扰，卵泡总数减少卵巢变小，出现雌性小鼠不孕现象。
图1 H3.3-K4M雌性小鼠不孕，卵母细胞发育不成熟
通过转录组分析发现，H3.3-WT卵母细胞和H3.3-K4M卵母细胞之间存在显著的转录组差异，H3.3-K4M卵母细胞中线粒体和其他细胞器的活性受到RNA水平的影响。通过免疫荧光和EU染色及比较RNA聚合酶II（RNA Polymerase II, Pol II）在生长期卵母细胞中的全基因组分布等方法，发现H3.3-K4M转基因小鼠生长期卵母细胞中，Pol II在转录起始位点（TSS）和远端区域富集显著低于H3.3-WT转基因小鼠，表明卵母细胞总体转录活性降低。
图2 H3.3-WT/K4M卵母细胞的转录组分析
通过WGBS实验，RNA-seq结合qRT-PCR验证，发现H3K4甲基化缺失会诱导H3.3-K4M卵母细胞中全基因组DNA甲基化增强，导致H3.3-K4M卵母细胞中的异常基因表达，线粒体动力学调节因子Drp1和Opa1表达下调，线粒体功能受损，氧化应激水平升高，卵母细胞和颗粒细胞出现凋亡现象。
图3 H3.3-K4M卵母细胞中Drp1表达下调
总结
该研究揭示H3.3-K4M的卵细胞特异性表达可导致小鼠卵母细胞中H3K4甲基化水平降低，致使卵母细胞转录活性降低，全局DNA甲基化增加，并引起卵母细胞中线粒体功能障碍，导致氧化应激水平升高，诱导卵母细胞和颗粒细胞凋亡，引起卵泡在早期发育阶段耗竭，最终导致卵母细胞发育停滞，卵巢大小减小，雌性小鼠不孕。