近日，上海科技大学免疫化学研究所干细胞生物学实验室在哺乳动物卵母细胞发育与早期胚胎调控机制研究中取得重要进展。研究团队揭示了PIWIL3-piRNA通路在兔卵母细胞成熟及胚胎早期发育中的关键作用，并建立了更接近人类生殖特征的兔模型，为理解女性不孕及早期胚胎发育异常提供了新的理论基础。相关成果以“PIWIL3-piRNA pathway controls rabbit oogenesis and embryogenesis via broad regulation of the transcriptome and proteome”为题发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。
卵母细胞质量缺陷和早期胚胎发育失败是导致女性不孕的重要原因，但其背后的分子调控机制长期未被深入解析。PIWI-piRNA通路被认为是真核生殖细胞中维持基因组稳定的重要调控系统，过去对其功能的认识主要来源于小鼠模型。然而，小鼠在进化过程中缺失了表达在卵巢里的PIWI基因，使得PIWI-piRNA通路在哺乳动物卵子发育中的真实功能长期难以研究。
研究发现，兔子有四个PIWI基因，其中PIWIL3在进化和表达模式上均非常接近人类，在卵母细胞中高度富集，并在卵母细胞成熟过程中成为唯一主要表达的PIWI家族蛋白。通过构建PIWIL3基因敲除兔模型，研究人员发现，缺失PIWIL3会导致雌兔完全不孕。进一步分析表明，PIWIL3缺失不仅导致卵泡发育异常和卵母细胞成熟障碍，还会导致受精后胚胎的早期发育明显出错，并很快停滞于2-8细胞阶段，说明PIWIL3对于维持卵母细胞功能及早期胚胎发育至关重要。
图1-a-b: PIWIL3的缺失导致卵泡数量显著减少和早期胚胎发育停滞
机制研究显示，PIWIL3能够结合一类特异性的约18 nt长度piRNA，并广泛调控卵母细胞及早期胚胎中的转录组、蛋白组及转座子表达动态。PIWIL3是卵母细胞和早期胚胎中piRNA生成的重要调控因子，其介导的PIWIL3-piRNA通路深度参与卵母细胞成熟过程中关键的转录后重编程过程，包括母源mRNA清除、减数分裂程序激活以及合子基因组激活（ZGA）等重要事件。上述研究表明，PIWIL3不仅参与piRNA生成，还可能作为协调卵母细胞向胚胎转变（oocyte-to-embryo transition, OET）的核心调控节点。
图2： PIWIL3在卵母细胞向胚胎转变（OET）过程中参与piRNA生成、转录组、蛋白组及转座子表达动态的多层级的分子网络调控
值得注意的是，兔卵母细胞中的PIWIL3-piRNA体系与人类高度相似，而与传统啮齿类模型存在明显差异。这一发现弥补了基于小鼠模型研究所带来的研究局限，表明兔模型能够更真实地模拟人类卵母细胞中的PIWI-piRNA调控机制，为研究人类女性生殖障碍及相关疾病提供了新的模式。
此外，研究团队进一步发展并整合了适用于稀有细胞体系的超低输入单细胞多组学技术，包括单细胞转录组、小RNA组学以及单细胞蛋白组学分析，实现了对卵母细胞及早期胚胎发育过程中多层级分子调控网络的系统解析。
上海科技大学免疫化学研究所原博士后巩媛媛、免化所副研究员石硕、上海临床研究中心高级工程师李玲及吉林大学钱宇强博士为论文共同第一作者。美国耶鲁大学林海帆教授、上海科技大学石硕副研究员及吉林大学李占军教授为论文共同通讯作者。上海科技大学为论文第一完成单位，吉林大学、耶鲁大学为合作单位。该研究得到了上海临床研究中心的支持。
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