TFAM在卵母细胞成熟和早期胚胎发育中的作用



·综述·

TFAM在卵母细胞成熟和早期胚胎发育中的作用

谷海唐莉1

(昆明理工大学生命科学与技术学院，云南昆明650500)

〔关键词〕线粒体；线粒体DNA；TFAM；卵母细胞；胚胎

1云南省第一人民医院生殖遗传一科

第一作者：谷海(1988-)，男，硕士，主要从事不孕不育临床医学研究。

线粒体在生殖细胞的发育和功能发挥着重要的作用。线粒体含有一组母系遗传基因，在生殖细胞发育过程中应将未受活性氧损伤的线粒体遗传给后代。核基因编码的线粒体转录因子A(TFAM)是线粒体转录和翻译的重要调控因子，调控线粒体DNA的拷贝，影响卵母细胞和胚胎的发育。本文主要从TFAM对卵母细胞、胚胎影响的角度进行了综述。

1TFAM的生物学特性

线粒体基因与其产物在卵母细胞的形成和发育中扮演着重要角色〔1，2〕，具有多效性功能的TFAM能够调节动物成熟卵母细胞中线粒体(mtDNA)的拷贝数。线粒体具有独立于核的基因，但其转录和翻译必须依赖核基因编码的各种蛋白因子的调控〔3〕。TFAM是一种核基因编码的DNA结合蛋白，同时也参与线粒体氧化磷酸化产生ATP的过程〔4〕，它能够定点结合到mtDNA重链和轻链上激活mtDNA的转录并调节mtDNA的复制。TFAM首先由TFAM基因在胞质内形成246个氨基酸组成约25 kD的前体，在线粒体靶向序列的转运下进入线粒体后，靶向序列被切除，形成约21 kD的成熟TFAM蛋白，成熟TFAM蛋白具有两个高迁移率族蛋白(HMG)结构域，HMG能够非特异性结合mtDNA〔5〕。研究显示，mtDNA与TFAM的结合率非常高，推测mtDNA表面可能被TFAM完全覆盖〔6〕。猜测TFAM可能有组蛋白的作用，维持mtDNA的稳定和拷贝数，并形成调节作用。TFAM是生殖细胞中稳定mtDNA拷贝数的关键调控因子，尽管TFAM的转录翻译机制尚不明确，但最近研究确定TFAM的翻译后功能水平的调控因子。

Matsushima等〔7〕发现在果蝇细胞核内敲除Lon后，TFAM和mtDNA含量的显著性增加，显示Lon蛋白酶降低TFAM的表达，说明TFAM的表达受Lon蛋白酶的影响。尽管Lon蛋白酶介导的TFAM下调的触发机制尚不清楚，但最近研究显示人类细胞TFAM的HMG结构域能够被cAMP依赖性蛋白激酶(PKA)磷酸化，磷酸化的HMG降低了TFAM与mtDNA的结合能力，导致TFAM从DNA上解离影响mtDNA的转录〔8〕。有人提出假说：TFAM通过完全锚定到DNA链上发挥修复作用〔9〕。TFAM蛋白在DNA上的滑行促使DNA的解链，很多实验证实TFAM能够维护mtDNA的稳定和拷贝数〔7，10〕。

研究〔11〕显示具有特异性结合mtDNA的TFAM结构域围绕于mtDNA D-loop环起始位点，参与线粒体的转录和复制。而非特异性结合mtDNA的结构域包装线粒体，同时维持和调节线粒体的拷贝数。增强子附近的TFAM特异性结合序列调节线粒体的转录与复制。

2TFAM与卵母细胞成熟

卵母细胞成熟分为细胞核和细胞质成熟。目前核成熟的判断标准主要以核膜崩解、同源染色体分离、第一极体排到卵周间隙为标准，但细胞质的成熟比较复杂，且一直缺乏有效的观察和评价指标，但有研究认为胞质成熟的标志是卵母细胞完成mRNA的转录、蛋白的复制和某些细胞器的再分布(包括线粒体)〔12〕。

卵母细胞成熟过程中最明显的变化是线粒体数目急剧增多，从最初的不足10个，到成熟后200 000～500 000个，远远多于其他细胞。在人类成熟卵母细胞中，mtDNA拷贝数超过200 000，较原始生殖细胞(约200拷贝数)显著增加，因此卵胞浆内足够的线粒体、mtDNA拷贝数是卵母细胞成熟所必需的。Mahrous等〔13〕用PI3K抑制剂抑制卵母细胞体积的增长，在第7天测mtDNA拷贝数，其含量与对照组没显著性差异，实验体现出mtDNA在卵母细胞成熟过程中的重要性，也暗示了线粒体数目及mtDNA含量的不足将严重影响卵母细胞成熟程度及后续的胚胎发育质量。而TFAM的含量与mtDNA拷贝数密切相关〔14〕，TFAM对线粒体的合成以及卵母细胞成熟、胚胎发育是必不可少的〔1〕，因此TFAM的表达水平可以成为卵母细胞发育潜能和后期胚胎发育能力的指标。

卵母细胞成熟要经历减数分裂阻滞期，成熟促进因子(MPF)活性是克服阻滞的关键，MPF包括WeelB和CDK1两个亚基，CDK1在哺乳动物卵母细胞分裂重启中有着不可替代的作用。蛋白激酶A(PKA)通过磷酸化WeelB 15位丝氨酸抑制MPF的活性，进而抑制阻滞期重启。PKA也能将TFAM的HMG结构域磷酸化，而降低了TFAM结合mtDNA的能力，影响mtDNA的转录和翻译，使卵母细胞中物质得不到储存，从另一方面抑制了卵母细胞阻滞的重启〔12〕。

卵母细胞胞质成熟的能力，也就是减数分裂的能力，和卵泡的大小有一定的关联。相对于直径为2～6 mm的卵泡，大于6 mm的卵泡有更好的囊胚发育率，线粒体数量也较多〔15〕，较好发育潜能的卵母细胞有更高的线粒体活性〔16〕。在卵母细胞发育过程中，大量线粒体的累积〔2〕，显示线粒体数量对早期胚胎发育的重要性〔17〕。Machatkova等〔18〕在牛卵母细胞研究中发现，来自较大卵泡的卵母细胞，比来自较小卵泡的卵母细胞线粒体有更高的活性，但卵母细胞成熟后，这种活性差异消失。检测线粒体相关基因发现，来自GV期较小卵泡的卵母细胞有较高的TFAM mRNA水平，但到了MⅡ期，其mRNA水平没有明显差异。可能是因为来自较小卵泡的GV期卵母细胞，mtDNA的转录和翻译尚未完成，需要更高的TFAM mRNA的转录活性。

有较高减速分裂潜能的卵母细胞，有高活性和重组的线粒体。而相对于减速分裂高潜能的卵母细胞，低潜能的卵母细胞有更丰富的TFAM基因mRNA，但是其线粒体重组和ATP的生成能力都较低。

3TFAM与早期胚胎发育

在大多数生物中，mtDNA都是母性遗传，这种遗传方式可以解释为配子大小不同，精子远比卵母细胞小的多，mtDNA含量也不尽相同，卵母细胞含有105～108拷贝数，而精子仅仅含有100个拷贝〔19〕。有研究表明，在人类精子形成过程中，mtDNA含量低下与TFAM因子降低有关〔5〕，胚胎mtDNA含量同样受到TFAM的调控。在小鼠mtDNA的拷贝数以及胚胎形成上，TFAM也发挥着重要作用。TFAM+/-小鼠的mtDNA、TFAM mRNA及其产物都显著性减少，并影响呼吸链的完整性，TFAM-/-小鼠可在胚胎发育的8.5～10.5 d可导致胚胎死亡〔5〕。但并不是TFAM含量越高越好，低水平TFAM不影响mtDNA复制，而高水平则与转录抑制相关，可以得出TFAM对mtDNA的调节是动态的〔20〕。mtDNA缺失的Hela细胞，其TFAM基因mRNA显著性升高〔21〕，体细胞部分去除线粒体后体外培养发现，TFAM 的表达上调，并能够弥补mtDNA含量的缺失〔22〕，将小鼠心肌细胞TFAM基因敲除后，小鼠表现出心肌炎和呼吸链缺陷症状〔23〕，这些结果表明，TFAM基因在维持mtDNA含量及其转录、复制的重要性，和在维持氧化磷酸化正常功能中的重要地位。

作为转录和复制的重要调节子，TFAM对于mtDNA的维护及在胚胎形成上发挥至关重要的作用〔5〕。在早期胚胎发育过程中，TFAM的转录随mtDNA含量增加而增加〔24〕。Chiaratti等〔25〕在去除30%以上线粒体的牛卵母细胞研究中发现，对照组(CO)中，胚胎在发育的第3天到第6天，线粒体数量明显增加，6 d以后基本没变，但线粒体去除组(DE)线粒体数量第3天到第6天明显增加，6 d以后持续增加。而TFAM的转录也呈相应的变化，CO组和DE 组TFAM在胚胎发育的第3天到第6天都显著性增加，但CO组在第6天以后保持不变，而DE组在第9天后仍在增加。在DE组TFAM的表达持续性增加，他们猜测可能是胚胎延长核基因组编码参与线粒体DNA复制和转录基因表达的窗口，为胚胎后期分裂补充mtDNA含量。华松等〔26〕在胚胎异质性线粒体研究中发现，8-细胞期以后，含有异质性线粒体的胚胎中TFAM mRNA的水平较正常组显著性增加，其甲基化水平相对于正常组显著降低，其囊胚率也显著低于对照组。如果早期胚胎发育受阻，其线粒体数量和单个线粒体内mtDNA数量增加，线粒体调控因子上调〔27〕，异质性线粒体胚胎中TFAM甲基化水平降低，随着胚胎发育这种现象越来越明显〔28〕，说明异质性线粒体能够影响主要基因的重编程，进而调控mtDNA数量，也从另一个角度阐述了TFAM对胚胎发育的重要性。

4小结

TFAM在线粒体调控和线粒体DNA转录、翻译、功能的维持和结构的修复过程中有着重要的作用〔5〕，而线粒体在卵母细胞及胚胎发育中的作用至关重要〔2，19〕，mtDNA在代代之间遗传的稳定性，表现出健康线粒体及mtDNA含量的重要性〔28〕。卵母细胞中每个线粒体只有一个mtDNA拷贝，TFAM的缺失可导致mtDNA拷贝数的减少和严重的呼吸链缺陷，继而影响生殖细胞的发育。在生殖细胞中TFAM的研究还少见，以后或许会成为研究焦点，为进一步促进辅助临床生殖医学的发展提供实验依据。

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〔2015-02-11修回〕

(编辑李相军)

通讯作者：唐莉(1971-)，女，博士，副教授，主要从事不孕不育临床医学研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(81260510)

〔中图分类号〕Q132.8

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2015)22-6593-03；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2015.22.136