1、导读

在哺乳动物中，雌性机体的卵母细胞数量往往有限，卵母细胞拥有一套独特的表观基因组，其甲基化程度相当于精子的一半，而且卵母细胞也是一种分化程度最高的体细胞；截至目前为止，研究人员并不清楚这种独特的DNA甲基化的调控模式以及其相关的功能。

中科院生物物理所的研究人员发表了题为“Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1”的研究论文，该研究首次在体内证实了DNMT1可以作为起始性DNA甲基化转移酶，打破了教科书里关于DNMT1只是维持性DNA甲基化转移酶的论断。更加令人振奋的是这篇文章的作者全部为中国人。

 

2、研究结果

1. 通过免疫染色方法验证卵母细胞中Stella对UHRF1定位的影响。对出生后5、10、15天雌性小鼠卵母细胞进行检测，发现Stella呈现均匀分布；而20天后，Stella在细胞核中逐渐增加，UHRF1主要定位在细胞质中。敲除Stella之后，UHRF1在出生后5、10、15天雌性小鼠卵母细胞中几乎全部定位于细胞核内；但是20天后，部分UHRF1仍定位于细胞核。进一步在细胞中进行相关实验，在HEK293细胞中外源过表达野生型Stella、出核序列缺失的Stella、丧失与UHRF1相互作用的Stella以及出核转运抑制剂处理等实验，结果表明Stella能够招募UHRF1出核从而抑制UHRF1的细胞核定位。

Fig. 1 | Stella disrupts the nuclear localization of UHRF1 through nuclear export

2. 经过实验验证，敲除母源Stella后，有超过50%的胚胎发育停滞在2细胞向4细胞时期转变过程中，15%的胚胎能够发育至囊胚期。而单独敲除母源UHRF1或同时敲除母源UHRF1和Stella后，大约有40%能够发育至囊胚期。Stella缺失导致的UHRF1功能异常能够导致胚胎发育的缺陷。

Fig. 2 | UHRF1 contributes to a hypermethylated genome and developmental deficiency in Stella−/− oocytes

3. 通过分析受精后雌原核以及雄原核的DNA甲基化水平，不管是雄原核还是雌原核的DNA甲基化水平在Stella敲除之后都有显著的升高。通过分析转录组测序数据，在1311个ZGA（合子基因组激活）基因中，Stella敲除会导致167个基因表达下调，12个基因上调。ZGA基因的表达变化与启动子区域DNA甲基化的变化高度相关。表明Stella敲除导致的DNA甲基化异常会造成ZGA缺陷。

Fig. 3 | DNMT1 contributes to the establishment of aberrant methylated sites

4. 在Stella敲除的卵母细胞中，传统认为的维持性DNA甲基转移酶DNMT1在异染色质上的结合明显增加。而起始性DNA甲基转移酶DNMT3A的定位则没有明显变化，另一个起始性DNA甲基转移酶DNMT3B的蛋白水平则几乎检测不到。

Fig. 4 | Analysis of regulation between Stella and UHRF1

5. 为了明确DNMT1、DNMT3A的功能，作者进一步在卵母细胞中分别条件性敲除DNMT1和DNMT3A，进而比较DNA甲基化差异。DNMT3A敲除导致整体DNA甲基化水平显著下降，但是对于Stella敲除导致的异常高甲基化影响不大；而DNMT1敲除能够显著降低Stella敲除导致的异常高甲基化（下图）。这表明Stella敲除导致的异常高甲基化依赖于DNMT1的起始性DNA甲基化酶活性。

Fig. 5 | Analysis of DNMTs in the Stella−/− oocyte

 

文章小结

朱冰团队的这一最新研究首次证实，过去一直被认为是维持性DNA甲基化转移酶DNMT1拥有其他功能，即起始性DNA甲基化酶活性，并揭示了Stella通过抑制DNMT1活性保护卵母细胞基因甲基化正常建立的机制，同时还阐明了DNMT1分子在有丝分裂后期细胞中的功能性角色，这或许能够帮助阐明DNMT1在机体老化过程中所扮演的关键角色。

 

解析文献

Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1

 

参考文献

1. Shirane, K. et al. Mouse oocyte methylomes at base resolution reveal genome-wide accumulation of non-CpG methylation and role of DNA methyltransferases. PLoS Genet. 9, e1003439 (2013).
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3. Stewart, K. R., Veselovska, L. & Kelsey, G. Establishment and functions of DNA methylation in the germline. Epigenomics 8, 1399–1413 (2016).
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5. Nakamura, T. et al. PGC7/Stella protects against DNA demethylation in early embryogenesis. Nat. Cell Biol. 9, 64–71 (2007).
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