Science：我国科学家揭示FXR1通过相分离激活精子细胞翻译、促进精子形成

在哺乳动物中，精子发生（减数分裂后的雄性生殖细胞分化）是一个高度协调的发育过程，由一组统称为精子发生基因的基因控制。

鉴于精子发生过程中的核凝聚会逐渐停止转录，精子发生基因在雄性生殖发育的早期阶段提前转录，并作为翻译惰性的信使核糖核酸蛋白（messenger ribonucleoprotein, mRNP）储存在发育中的精子中，直到它们需要翻译时为止。这些翻译惰性的mRNP通常被组装到称为生殖颗粒（germ granule）的mRNP颗粒中，而生殖颗粒是各种类型生殖细胞中非翻译性mRNA的储存设施。然而，人们对那些储存在翻译惰性的mRNP颗粒中的mRNA在精子发生后期如何被激活知之甚少。

为了了解翻译惰性的mRNA在精子发生过程中是如何被激活的，来自中国科学院大学、上海科技大学、上海交通大学、武汉大学、复旦大学和南京医科大学的研究人员在一项新的研究中通过对小鼠睾丸的多核糖体（polysome）进行蛋白质组学分析，筛选出潜在的翻译调节因子。作为FXR（fragile X–related）蛋白家族的成员，FXR1作为晚期精子的翻译调节因子在这种筛选中脱颖而出。相关研究结果发表在2022年8月12日的Science期刊上，论文标题为“LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs”。

通过进行eCLIP和多核糖体分析，并结合构建一种生殖系特异性Fxr1基因敲除（Fxr1cko）小鼠模型，他们研究了FXR1是否是晚期精子中的翻译激活所必需的。

为了破译FXR1介导的翻译调节机制，他们使用免疫沉淀法和质谱法确定了小鼠睾丸中FXR1的潜在辅助因子。他们通过在晚期精子细胞中招募翻译因子的液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）观察到FXR1颗粒的形成，并使用TRICK（translating RNA imaging by coat protein knock-off）报告系统确定FXR1 LLPS是否是体外培养的细胞中的靶mRNA翻译所必需的。

为了进一步研究FXR1 LLPS是否对小鼠精子中的靶mRNA翻译至关重要，他们使用慢病毒睾丸转导技术在Fxr1cko小鼠睾丸中异位表达野生型FXR1、LLPS缺陷的FXR1L351P突变体或LLPS得到恢复的FXR1L351P-IDRFUS突变体。最后，通过产生生殖系特异性的Fxr1L351P基因敲入小鼠，他们确定FXR1 LLPS对小鼠晚期精子的翻译激活、精子生成和雄性生育能力是否不可或缺。

含有FXR1的生殖颗粒介导晚期精子中的靶mRNA翻译激活。

这些作者发现FXR1在产后35天的睾丸多核糖体中的富集程度远远高于产后25天的睾丸，这表明FXR1在晚期精子的翻译激活中发挥着作用。他们确定了770种mRNA可能是FXR1直接激活的靶标，并证实小鼠生殖系特异性Fxr1缺失明显减少了晚期精子中的靶mRNA翻译。与FXR1在晚期精子的翻译激活中发挥功能相一致，Fxr1cko雄性小鼠不育，并在精子发生后期显示出精子生成失败。有趣的是，他们在晚期精子中观察到FXR1明显上调，并它们存在丰富的、不同的凝集物，这表明浓度依赖性的LLPS。

机制研究显示，FXR1经过LLPS形成凝集物，将靶mRNAs组装成mRNP颗粒，然后招募翻译复合物来激活储存在mRNP颗粒中的mRNA。与此一致的是，野生型FXR1或FXR1L351P-IDRFUS而不是FXR1L351P的异位表达激活了体外培养的细胞中的靶mRNA翻译，并成功拯救了Fxr1cko小鼠晚期精子中的靶mRNA翻译和精子生成。此外，Fxr1L351P敲入突变小鼠高度模拟Fxr1cko小鼠，从而直接支持FXR1 LLPS对小鼠晚期精子中的靶mRNA翻译、精子生成和雄性生育能力的不可缺少性。

这些研究结果表明，FXR1是指导小鼠精子发生的重要翻译激活剂，并揭示了FXR1 LLPS对小鼠精子中储存的mRNA的翻译激活和小鼠雄性生育能力的关键贡献。此外，这项新的研究还指出了LLPS在体内发育过程中的重要性。

参考资料：

Jun-Yan Kang et al. LLPS of FXR1 drives spermiogenesis by activating translation of stored mRNAs. Science, 2022, doi:10.1126/science.abj6647.