人才强校 | 刘国世团队研究发现胚胎合成的褪黑素通过调控基因组甲基化和线粒体功能促进胚胎发育
本网讯 动科学院刘国世团队在褪黑素调控胚胎发育的研究中取得重要研究进展。相关研究发表于国际知名期刊《Antioxidants & Redox Signaling》(5Year IF=7.389，生物学一区), 文章题目为：Aanat knockdown and melatonin supplementation in embryo development: involvement of mitochondrial function and DNA methylation. (https://doi.org/10.1089/ars.2018.7555)。 该研究揭示了早期胚胎合成的褪黑素，通过调控Tet2的表达维持基因组正常甲基化水平，同时能够改善线粒体功能，进而促进胚胎发育。
该团队前期的研究结果显示，褪黑素合成酶基因AANAT过表达可以提高转基因绵羊的妊娠率、产羔率以及后代初生重，推测AANAT过表达体内升高的褪黑素可能提高胚胎的发育效率。因此，该团队利用原核胚显微注射结合RNA干扰技术，建立了胚胎AANAT的敲降模型，并进一步研究了内源性褪黑素对胚胎发育的作用。发现敲降AANAT显著降低了早期胚胎褪黑素的合成能力。敲降AANAT导致胚胎发育的8-cell形成率及囊胚率、孵化囊胚率显著降低。一方面，敲降AANAT导致胚胎线粒体功能异常，线粒体DNA拷贝数降低，胚胎ATP合成能力下降。另一方面，褪黑素的减少使得胚胎清除氧自由基的能力降低，导致基因组的氧化损伤。这些表型全部可以被外源施加的褪黑素所缓解。RNA-seq的结果表明，敲降AANAT显著降低线粒体功能相关基因表达，同时降低DNA去甲基化酶Tet2的表达水平。同时Tet2蛋白水平下降，并导致囊胚基因组去甲基化进程受到影响，5-mC向5-hmC转变受阻，使胚胎基因组维持着过高的甲基化水平，这可能是导致囊胚细胞分化异常、滋养层细胞数减少、以及囊胚移植后代初生重降低的主要原因。此外，该团队又通过体细胞克隆技术生产全身过表达AANAT转基因羊，超数排卵后体内胚胎生产发现，过表达AANAT转基因羊胚胎质量显著提高。而CRISPR/Cas9技术敲除AANAT显著降低了胚胎的发育效率，且早期囊胚的Tet2表达水平降低，后代初生重也显著降低。进一步印证了胚胎合成的褪黑素，通过调控基因组甲基化和改善线粒体功能促进其发育的分子机制。
刘国世教授为文章的通讯作者，博士生杨明辉是本文第一作者。该研究受到了刘国世教授主持的国家自然科学基金重点项目及参加的973课题资助。以上研究也为提高家畜体内外胚胎生产效率和繁殖力奠定了理论基础。