Nature communication | 王凤超实验室揭示PRRC2A在雄性减数分裂中的重要作用及相关的转录后调控机制

在精子发生(spermatogenesis)中，雄性生殖细胞从精原细胞发育为精母细胞、再转变为精细胞，经历干细胞维持与分化、有丝分裂、减数分裂、细胞剧烈形变等事件。这个过程十分复杂，需要多水平的精细调控来保证健康生殖细胞的产生。

m6A(N6-methyladenosine)，即腺嘌呤(A)的第6位氮(N)原子上的甲基化，是真核生物mRNA中最常见的转录后修饰。甲基化酶METTL3/14负责添加修饰，去甲基化酶ALKBH5与FTO负责移除修饰，阅读蛋白可识别m6A并介导mRNA的剪接、转运、降解/稳定性和翻译。之前研究表明，m6A广泛存在于各类型雄性生殖细胞中，METTL3/14、ALKBH5、FTO及阅读蛋白YTHDC1、YTHDC2、YTHDF2均被证明可调控精子发生，然而相关机制并不十分清晰，关于m6A在减数分裂后期的调控作用也几乎未知^[1]。

2023年3月24日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院王凤超实验室在Nature communication杂志发表了题为“The m6A reader PRRC2A is essential for meiosis I completion during spermatogenesis”的研究论文。该研究中，研究人员揭示了PRRC2A在精子发生第一次减数分裂完成中的关键作用及相关转录后调控机制。

2019年，袁增强、杨运桂、王凤超实验室合作报道了PRRC2A是一种新型m6A阅读蛋白及在脑发育中的作用^[2]。本研究中，研究人员通过qPCR、WB、RNA杂交及免疫荧光染色，发现PRRC2A在睾丸中有更高表达，主要存在于减数分裂晚前期(late prophase)精母细胞及圆形精子中。作者利用Stra8-Cre在小鼠雄性生殖细胞中特异敲除Prrc2a基因，发现会导致小鼠不育。PRRC2A缺失后，小鼠睾丸中缺少长形精子、圆形精子数量明显下降且表现为异常核型并脱落(图1A)。TUNEL染色显示，PRRC2A缺失会导致细胞凋亡从减数分裂前期的粗线期开始显著增多，在中期精母细胞与圆形精子阶段发生大量凋亡。更详细的表型分析显示，PRRC2A-null减数分裂前期精母细胞中，XY染色体不联会比例显著提高(图1B)，减数分裂性染色体沉默(MSCI)现象被破坏(图1C)。PRRC2A-null减数分裂中期精母细胞中，染色体着丝排板异常、微管组织中心定位异常且破碎、出现不对称或多级纺锤轴现象(图1D)。

PRRC2A敲除后表型

结合RNA-seq、Ribo-seq、PRRC2A RIP-seq结果，研究人员发现PRRC2A的结合峰主要位于mRNA的CDS与3’UTR区域，高度富集于终止密码子附近，且能够富集出GGACU motif，这些特征与m6A修饰的分布特征类似^{[3, 4]}，说明PRRC2A在雄性生殖细胞中也发挥m6A阅读蛋白的功能。在精母细胞中，PRRC2A缺失会导致靶标mRNA的丰度上升及翻译效率(TE)下降(图2A)，说明PRRC2A具有促进mRNA降解和/或翻译的功能。

通过分析各生殖细胞群体特异基因的表达，研究人员发现PRRC2A-null精母细胞中，精原细胞(spermatogonia)特异基因上调(RNA上升，RPF代表翻译水平，也上升)，而精母细胞(spermatocyte)及精细胞(spermatid)特异基因下调，表明PRRC2A-null精母细胞会失去自身的表达特性(图2B)。进一步研究揭示，PRRC2A主要结合精原细胞特异基因(如Plzf、Foxo1、Sall4、Sox3)并下调RNA丰度，说明PRRC2A可能通过介导精原特异基因转录本的降解来促进精原细胞向精母细胞的转录组的转换。此外，研究人员发现，PRRC2A缺失后，减数分裂细胞周期及细胞分裂相关基因的RNA丰度升高，但翻译水平(RPF)下降，表明翻译效率发生了下降(图2C)。这些结果说明，PRRC2A能促进分裂相关基因(如Cep192、Wnk1)的翻译，从而调节减数分裂中期相关表型。

最后，通过IP-MS，研究人员鉴定出PRRC2A的相互作用蛋白，包括YBX1、YBX2、FXR1、PABPC1、EIF4G3。过去研究表明YBX1、YBX2、FXR1能够促进RNA降解，FXR1、PABPC1、EIF4G3能够促进精子发生中的翻译。因此，PRRC2A可能通过招募不同的相互作用蛋白来分别调控靶标mRNA的降解或翻译。

PRRC2A的转录后调控功能

综上所述，该研究揭示了PRRC2A的新转录后调控机制及其在雄性生殖中的重要作用，证明了m6A在雄性减数分裂后期的功能。

王凤超课题组博士研究生谭鑫水与北京基因组研究所助理研究员郑彩宏博士为共同第一作者，王凤超博士为通讯作者。其余作者包括庄英华、金鹏鹏。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和北京市政府的资助。

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37252-y

[1]SUI X, KLUNGLAND A, GAO L. RNA m6A modifications in mammalian gametogenesis and pregnancy [J]. Reproduction, 2023, 165(1): R1-R8.

[2]WU R, LI A, SUN B, et al. A novel m(6)A reader Prrc2a controls oligodendroglial specification and myelination [J]. Cell research, 2019, 29(1): 23-41.

[3]DOMINISSINI D, MOSHITCH-MOSHKOVITZ S, SCHWARTZ S, et al. Topology of the human and mouse m6A RNA methylomes revealed by m6A-seq [J]. Nature, 2012, 485(7397): 201-6.

[4]MEYER K D, SALETORE Y, ZUMBO P, et al. Comprehensive analysis of mRNA methylation reveals enrichment in 3' UTRs and near stop codons [J]. Cell, 2012, 149(7): 1635-46.