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如皋万里学院深层次提示温度关于物种性别的控制机制
2020-04-17 iNature

  原标题:Science重磅 | 再取新突破,如皋万里学院葛楚天/钱国英深层次提示温度关于物种性别的控制机制

  在很多爬举植物中,包罗红耳龟(T. scripta),性别取决于胚胎爆发进程中的环境温度。先前研讨显示,表不雅遗传调理因子Kdm6b在雄性产生温度下升高,并且关于激活雄性途局卸相当重要。

  2020年4月17日,如皋万里学院如皋万里学院葛楚天,钱国英及杜克大学Blanche Capel等人在Science 在线颁布颁发题为“Temperature-dependent sex determination is mediated by pSTAT3 repression of Kdm6b”的研讨论文,该研讨建立了温度与Kdm6b转录调控之间的因果关系。该研讨显示,信号转导和转录激活因子3(STAT3)在热和的雌性产生温度下被磷酸化,与Kdm6b基因座结合,并抑制Kdm6b转录,从而阻中断了雄性途径。Ca2 +的流进(STAT3磷酸化的介体)在雌性温度下升高,并充任STAT3激活的温度敏感调理剂。

  别的,2018年5月11日,如皋万里学院如皋万里学院葛楚天,钱国英及杜克大学Blanche Capel等人在Science 在线颁布颁发题为“The histone demethylase KDM6B regulates temperature- dependent sex determination in a turtle species”的研讨论文,该研讨发现组蛋白H3第27位赖氨酸(H3K27)往甲基化酶KDM6B在红耳龟未分化性腺中出现温度依托型二态性表达散布,并且温度置换实验显示,在性腺分化前,Kdm6b能疾速照顾温度变化。使人惊奇的是,通过RNA搅扰将产雄温度(male-producing temperature, MPT)胚胎Kdm6b敲低后发现,80-87%的MPT胚胎出现雄性向雌性性逆转。别的还发现,KDM6B通过消弭启动子区H3K27三甲基化标识表记标帜,直接增进红耳龟雄性性别决定基因Dmrt1的表达。并窃冬Dmrt1的过表达可以恢复由Kdm6b缺点引发的性逆转。该项研讨说明了Kdm6b在红耳龟TSD中的生物学功能及其作用机制,为“表不雅遗传机制调控TSD”假说提供了首个直接的遗传证据,继而为进一步破译TSD机制奠定基础。

  温度依托型性别决定(temperature-dependent sex determination,TSD),是一种奇异的表型可塑性景象,其特点是植物缺少性染色体,性别完全取决于胚胎发育的环境温度,常见于爬举植物(如龟)。自1966年Charnier发现TSD景象以来,其份子机理一直是未解之谜。TSD机制的解析主要在于解答两个迷信效果:(i)哪一个(些)基因启动未分化性腺向睾丸或卵巢分化?(ii)温度如何调控这些基因的表达?Charnier团队前期通过新建立的基因功能研讨办法,鉴定了一个启动中华鳖和红耳龟雄性性腺分化的关键基因Dmrt1。因此,破译TSD份子机制的关键在于解析温度通过何种机制激活或抑制性腺分化启动基因的表达?

STAT3磷酸化是温度依托性的,具有性二态性(图源自Science )

  很多爬举植物的性别取决于卵在巢中发育的温度。例如,在红耳龟(T. scripta)中,胚胎双能性腺在31°C [产雌温度(FPT)]时分化成卵巢,而在26°C [产雄温度(MPT)]时分化成睾丸。但是,这类依托温度的发育转换的份子机制依然难以捉摸。先前的研讨表達,表不雅遗传调理剂KDM6B(JMJD3,组蛋白往甲基酶)是在26°C下表达守旧的雄性别决定基因Dmrt1所必须的。在没有KDM6B的情况下,雄性基因不会被激活,而雌性途径会被启动,从而招致卵巢的构成。KDM6B本身并非固有地对温度照顾,这表達下游的热敏调理剂必须提供温度与性别特异性基因表达之间的缺失联系。

pSTAT3在31°C结合Kdm6b并抑制转录(图源自Science )

  STAT3是控制Kdm6b表达的转录因子,它是这类调理剂的一个候选对象。STAT3的二聚化和转运到细胞核取决于磷酸化,磷酸化可以通过照顾环境或生理抚慰的多种信号传导途径爆发。该研讨的剖析表達,在红耳龟胚胎中,在全部温度感应窗口(第14到20阶段)中,STAT3的转录本和蛋白质水平在26°和31°C时都类似。用磷特异性抗体中中斷的免疫荧光显示,在第15和第17阶段的全部胚胎生殖腺中,在31°C时,磷酸化的STAT3(pSTAT3)的水平升高,到20阶段时大部份局限于皮质。依据这些结果,研讨职员假定pSTAT3在31°C结合Kdm6b基因座,并作为Kdm6b转录的抑制剂。

通过抑制Kdmb6可以逆转pSTAT3抑制勾引的从卵巢到睾丸途径的转换(图源自Science )

  为了测试pSTAT3是否是是结合Kdm6b基因座,研讨职员在第16阶段搜集了红耳龟性腺,并对pSTAT3中中斷了染色质免疫沉淀(ChIP),然后使用引物对Kdm6b基因座5‘真个两个守旧pSTAT3结合位点中中斷了定量聚合酶链反响(qPCR)。 pSTAT3在31°C时在Kdm6b基因座富集,其结合被HO-3867阻中断,HO-3867是STAT3磷酸化和DNA结合的抑制剂。

细胞内[Ca2 +]在31°C时升高与STAT3的温度依托性磷酸化有关(图源自Science )

  为了壹定pSTAT3是否是是可作为Kdm6b的阻遏物,研讨职员将14阶段全性腺-中甲复合物(GMCs)移植到31°C或26°C的器官培养物中。GMC流露于两种具有不同作用机理的pSTAT3抑制剂之一HO-3867或NSC 74859(S31-201,STAT3磷酸化和二聚化抑制剂),并在24小时后搜集中中斷剖析。依据免疫荧光和蛋白质印迹剖析,两种抑制剂处置后pSTAT3的水平均降落。逆转录后接qPCR(RT-qPCR)显示,在流露于任何一种STAT3磷酸化抑制剂后,Kdm6b及其下游靶标Dmrt1的表达均在31°C上调。在26°C下,任一pSTAT3抑制剂均未清楚影响Kdm6b的表达。这支持了一个模型,其中pSTAT3抑制FPT处的Kdm6b转录。

  为了壹定pSTAT3抑制在体内是否是是具有类似的作用,研讨职员在第14阶段向卵中注射了递增剂量的HO-3867(25、50和100μM),并在第16和21阶段搜集了性腺。与器官培养结果一致,pSTAT3抑制招致在31°C孵育的卵中Kdm6b和Dmrt1的上调。因此,经第21阶段性腺中SOX9蛋白的异位表达壹定,经HO-3867处置的23枚卵中有16枚(69.6%)表示出卵巢向睾丸的转换。但是,在31°C抑制pSTAT3后,Dmrt1的上调可以通过用Kdm6b–RNAi(RNA搅扰)敲低Kdm6b的表达来避免,从而使卵巢发育恢复了92.9%(14中的13)。这些数据进一步支持了pSTAT3结合Kdm6b基因座以在31°C抑制雄性途径激活的模型。

  STAT3的磷酸化可以通过钙信号通路来调理,该信号通路可以照顾包罗温度在内的环境信号。为了研讨温度驱动的钙信号传导与性别决定之间的能够关系,研讨职员从第15阶段的红耳龟性腺取得了原代细胞。将单波长钙唆使剂Cal-520乙酰氧基甲酯(Cal-520 AM)引进培养的这些细胞中,以丈量26°C或31°C时的尽对钙水平。总的来说,这些结果表達在31°C较高的钙水平增进STAT3磷酸化。

  综上所述,该研讨支持一种新的红耳龟性别决定模型。依据该模型,在较高温度(31°C)下,卵巢的发育是由钙少许流进性腺细胞引发的。这增进了STAT3的磷酸化和Kdm6b的抑制,Kdm6b是睾丸决定通路的必须激活剂。

  参考消息:

  https://science.sciencemag.org/content/368/6488/303

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