北京时间2024年1月4日18时，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生物化学与细胞生物学研究所）杜雅蕊/徐国良团队在国际学术期刊Nature Structural & Molecular Biology在线发表了题为：“Auto-suppression of Tet dioxygenases protects the mouse oocyte genome from oxidative demethylation”的研究论文。

该研究揭示了Tet双加氧酶催化活性中心低复杂度的LCD结构域对该家族蛋白的时空特异性调控机制：在卵母细胞中，高表达的Tet3由于LCD的存在氧化酶活受到抑制，其功能的发挥要在受精之后；LCD的缺失则会解除Tet3酶活的自抑制，使卵母细胞甲基化组发生过度氧化，影响了卵子发生和早期胚胎发育。

以5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine, 5mC）为主的DNA甲基化是表观遗传调控的重要方式，在调控基因表达、建立基因印记、维持X染色体失活、维持转座子沉默等生理过程中发挥重要作用。DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases, Dnmts）和Tet双加氧酶（Tet dioxygenases）共同调控DNA甲基化谱式的形成。Tet双加氧酶介导的DNA氧化去甲基化的发现是近年来染色质与细胞命运研究领域的一大突破。然而，迄今为止对于Tet蛋白的研究主要局限于基因敲除实验。Tet介导5mC氧化去甲基化在基因组上产生了多种氧化修饰，其生理意义及其作为表观遗传标记的功能还有很大的研究空白。人们对Tet双加氧酶对5mC的时空和基因组位点特异性氧化的机制还缺乏了解。

Tet蛋白的催化活性中心存在一个功能未知的、低复杂度的结构域（Low-complexity domain, LCD）。为了探究LCD的功能，研究团队首先从HEK293T细胞中纯化出带有Flag标签的Tet3 ΔLCD蛋白，通过体外酶活检测发现，Tet3 ΔLCD蛋白相比于野生型蛋白具有更高的氧化5mC-DNA的能力。

随后，研究团队利用独到的基于孤雄单倍体胚胎干细胞技术以及CRISPR/Cas9基因编辑技术构建了雌性生殖系条件性敲除LCD的小鼠模型。应用核苷质谱检测和免疫荧光染色技术，研究团队证明了LCD的缺失导致卵细胞基因组中5mC氧化产物明显增多。虽然条件性敲除（Conditional knockout, CKO）雌鼠产生成熟卵细胞的数量没有发生变化，但雌鼠生育力显著降低。研究团队进一步分析了表达Tet3 ΔLCD蛋白的卵母细胞的表型发现，GV期卵母细胞的减数分裂恢复受阻，其产生的胚胎发育潜能严重受损。

究其原因，研究团队结合了RNA-seq、WGBS、ACE-seq及Cut&Tag等多种测序分析发现，这种活性增强的Tet3突变体会使小鼠卵母细胞基因组5mC发生过度氧化。由于卵母细胞处于减数分裂阻滞阶段，5fC、5caC等高级氧化产物积累在原本高甲基化的ERVK等元件上，同时伴随着H3K9me3水平的降低，从而破坏了5mC和H3K9me3对ERVK等逆转座元件的双重抑制，影响了ERVK附近卵子发生相关基因的表达，导致卵母细胞及后续胚胎发育受损。

该研究揭示了一种由LCD介导的Tet蛋白酶活负调控机制，阐述了LCD保护卵母细胞甲基化组免受过度氧化的重要作用，拓宽了人们对Tet酶活时空特异性调控的理解，强调了DNA甲基化谱式正常建立对于哺乳动物发育的重要性。

中国科学院分子细胞科学卓越中心的杜雅蕊研究员、徐国良研究员为该论文共同通讯作者。中国科学院分子细胞卓越中心博士张晓洁、韩斌斌、邵震宇、中国科学院动物研究所博士研究生燕蕊以及分子细胞卓越中心高级实验师高娟为该论文共同第一作者。

中国科学院动物研究所郭帆研究员、中国科学院生态环境研究中心汪海林研究员、英国奥斯特大学的Colum P. Walsh教授以及分子细胞卓越中心的李劲松研究员和吴立刚研究员对该工作给予了大力支持。

该工作得到了中国科学院、基金委、科技部等部门的经费资助以及分子细胞卓越中心动物平台和细胞平台的帮助与支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41594-023-01125-1