刘博洋等揭示代谢体对于胚胎早期发育的重要调控机制

　　胚胎早期发育过程中，卵细胞所提供的mRNA和蛋白质调控了发育的初始阶段，包括细胞核分裂、体轴建立以及胚盘形成，这种调控称为母体效应（maternal effect）。随着胚胎的不断发育，母体mRNA逐渐消耗和降解，合子基因开始表达，发育由最初的母体效应控制转变为胚胎本身的合子基因所控制，这种转变称为Maternal to zygotic transition（MZT）【1】。MZT作为一个时间节点，许多重要的发育事件参与其中，例如母体效应消除、合子基因组表达（Zygotic genome activation，ZGA）、细胞周期重塑（Cell cycle remodeling）等。其中，细胞周期重塑为后续的大规模基因转录和形态发生创造了重要条件。

　　在细胞周期重塑中，细胞由快速的核分裂（Nuclear division）重塑为缓慢的细胞分裂（Cell division），伴随着细胞化过程（Cellulatization）。近年来，对于MZT的研究取得了许多重要进展，其中胚胎发育早期的快速核分裂及细胞周期重塑一直是学者们关注的焦点【2,3】，因为其快速的DNA增殖与细胞周期检查点（DNA replication checkpoint）的激活为研究肿瘤细胞的复制和分裂提供了重要动物模型。

　　2019年3月14日，由德国哥廷根大学与汉诺威大学研究团队合作，发表在Current Biology上的研究论文A Link between Deoxyribonucleotide Metabolites and Embryonic Cell-Cycle Control以果蝇胚胎为研究对象，阐释了MZT中脱氧核糖核苷酸（dNTP）与胚胎细胞周期调控的关系【4】。

　　卵细胞所提供的dNTP作为DNA复制的重要原料，其需求量随细胞数量翻倍而呈几何倍数增加，在其消耗的同时，胚胎的从头合成（de novo synthesis）产生的dNTP持续供给，使得胚胎发育平稳转变到合子基因控制。这种转变需要一系列精确的时间空间调控，因为其过早或过晚都会引起后续发育过程无法正常进行，所以母体dNTP供给量和胚胎的dNTP从头合成时间都对于DNA复制和细胞周期产生影响。

　　哥廷根大学刘博洋博士等利用丝氨酸羟甲基转移酶（Serine hydroxymethyltransferase ，SHMT）和核糖核苷酸还原酶（Ribonucleotide reductase，RNR）两个突变体【5】，育成了胚胎dTTP从头合成缺失与dNTP富集两种果蝇胚胎模型。研究人员发现，与被羟基脲（Hydroxyurea）处理过的胚胎相似，SHMT突变体胚胎的核分裂停留在第13个细胞核周期（Nuclear cycle），比正常胚胎少一个周期，并无法完成后续发育过程。这个表型是由Cellulatization时的dTTP缺失造成的，因为外源注射dTTP可以消除此表型。

　　为建立更细致的发育时间轴并测量具体发育阶段dNTP的量，研究人员采用了优化的LC-MS/MS方法，发现SHMT突变体的母体dNTP量与野生型相似，但是在第13个细胞核周期就消耗殆尽，且没有dNTP从头合成的补充，造成DNA在复制中产生了很强的复制压力（Replication stress），进而激活了replication checkpoint。这个机制与此前的研究形成了互补【6】，首次揭示dNTP的供给不足与ZGA同时通过激活replication checkpoint，减缓细胞周期的进程，从而造成胚胎发育的停止。同时，在RNR酶突变体中，当母体供给过量dNTP时，胚胎发育中dNTP会产生富集，从而缩短了细胞周期。

　　这些研究结果说明，dNTP作为一种代谢体，和ZGA一起对于胚胎早期发育的调控具有重要作用。这项研究对于肿瘤的代谢组研究有着重大意义【7】，因为SHMT和甘氨酸脱氢酶（Glycine dehydrogenase，GLDC）以及组氨酸一道参与了一碳代谢【8】，而其中的糖酵解和甘氨酸/丝氨酸代谢又影响了嘧啶代谢，从而调节肿瘤细胞的增殖【9】。同时，肿瘤细胞dNTP缺失可以直接产生复制压力，进而增加基因组不稳定性（Genome instability），诱发早期肿瘤细胞增殖【10】。果蝇胚胎早期发育的快速细胞增殖和分裂为代谢组以及肿瘤发育研究提供了体内模型研究的重要支持。

　　原文链接：

　　https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.02.021

　　参考文献

　　1. Farrell JA, O’Farrell PH (2014). From egg to gastrula: how the cell cycle is remodeled during the Drosophila mid-blastula transition. Annu Rev Genet 48:269–294.

　　2. Blythe SA, Wieschaus EF (2015). Coordinating cell cycle remodeling with transcriptional activation at the Drosophila MBT. Curr Top Dev Biol 113:113–148.

　　3. Liu, B., and Grosshans, J. (2017). Link of zygotic genome activation and cell cycle control. Methods Mol. Biol. 1605, 11–30.

　　4. Liu, B., Winkler, F., Herde, M., Witte, C.-P., Grosshans, J. (2019): A link between deoxyribonucleotide metabolites and embryonic cell cycle control, Curr. Biol. 29.

　　5. Song, Y., Marmion, R.A., Park, J.O., Biswas, D., Rabinowitz, J.D., and Shvartsman, S.Y. (2017). Dynamic Control of dNTP Synthesis in Early Embryos. Dev Cell 42, 301-308 e303.

　　6. Blythe, S.A., and Wieschaus, E.F. (2015). Zygotic genome activation triggers the DNA replication checkpoint at the midblastula transition. Cell 160, 1169–1181.

　　7. Mattaini, K.R., Sullivan, M.R., and Vander Heiden, M.G. (2016). The importance of serine metabolism in cancer. J. Cell Biol. 214, 249–257.

　　8. Kim, D., Fiske, B.P., Birsoy, K., Freinkman, E., Kami, K., Possemato, R.L., Chudnovsky, Y., Pacold, M.E., Chen, W.W., Cantor, J.R., et al. (2015). SHMT2 drives glioma cell survival in ischaemia but imposes a dependence on glycine clearance. Nature 520, 363-367.

　　9. Zhang, W.C., Shyh-Chang, N., Yang, H., Rai, A., Umashankar, S., Ma, S., Soh, B.S., Sun, L.L., Tai, B.C., Nga, M.E., et al. (2012). Glycine decarboxylase activity drives non-small cell lung cancer tumor-initiating cells and tumorigenesis. Cell 148, 259-272.

　　10. Bester, A.C., Roniger, M., Oren, Y.S., Im, M.M., Sami, D., et al. (2011). Nucleotide deficiency promotes genomic instability in early stages of cancer development. Cell 145, 435-446.