2024年4月29日，日本熊本大學(xué)Kei-ichiro Ishiguro團(tuán)隊(duì)在Nature communications發(fā)表“Atypical heat shock transcription factor HSF5 is critical for male meiotic prophase under non-stress conditions”，揭示了非典型熱休克轉(zhuǎn)錄因子HSF5在非應(yīng)激條件下對(duì)雄性減數(shù)分裂前期至關(guān)重要。

減數(shù)分裂前期的進(jìn)展在雄性和雌性中受到不同的調(diào)控。在雄性中，減數(shù)分裂前期的粗線轉(zhuǎn)變伴隨著基因表達(dá)的改變。然而，基因表達(dá)如何不同的調(diào)控，以確保減數(shù)分裂前期完成仍然知之甚少。在此，作者鑒定了HSF5作為一個(gè)雄性生殖細(xì)胞特異性熱休克轉(zhuǎn)錄因子（HSF）的減數(shù)分裂前期進(jìn)展中的作用。基因分析和單細(xì)胞RNA測(cè)序表明，在非應(yīng)激條件下，而不是熱應(yīng)激條件下，HSF5對(duì)超過(guò)粗線期階段的進(jìn)展至關(guān)重要。體內(nèi)染色質(zhì)結(jié)合分析和體外DNA結(jié)合分析表明，HSF5與染色質(zhì)組織相關(guān)的一個(gè)基因子集中的啟動(dòng)子結(jié)合。HSF5識(shí)別的DNA基序不同于其他典型HSF識(shí)別的典型熱休克元件。本研究提示HSF5是一種非典型HSF，是雄性減數(shù)分裂前期粗線質(zhì)轉(zhuǎn)化的基因表達(dá)程序所必需的。

圖一 HSF5在小鼠睪丸的減數(shù)分裂前期表達(dá)

HSF5基因被鑒定為meiosin/stra8靶基因之一。然而，除了HSF5在雄性MSCI的建立中可能需要外，其在小鼠中的生物學(xué)功能尚未完全闡明。在小鼠基因組中鑒定出6個(gè)編碼HSFs的同源基因。HSF家族具有一個(gè)DNA結(jié)合域，并在熱應(yīng)激反應(yīng)（HSR）和非應(yīng)激條件下作為一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子。HSF1、HSF2和HSF4具有兩個(gè)七肽重復(fù)序列HR-A和HR-B，它們被預(yù)測(cè)形成分子間亮氨酸拉鏈用于同源三聚體寡聚，而HSF5缺乏這些七肽重復(fù)序列。HSF5在25°C下以單體和二聚體/三聚體的混合物存在，但在較高的溫度下形成高階低聚物。HSF5的這種熱響應(yīng)類似于HSF1，它在熱休克下形成高階低聚物。相比之下，含有DNA結(jié)合域（HSF5-DBD）的HSF5片段在25°C和42°C上均處于單體狀態(tài)，表明HSF5的寡聚化是由DBD以外的另一個(gè)區(qū)域介導(dǎo)的。

因此，HSF5在體外具有進(jìn)行寡聚的結(jié)構(gòu)特征。作者使用RT-PCR檢測(cè)了不同小鼠組織中HSF5的穩(wěn)態(tài)mRNA水平。HSF5 mRNA在幼年小鼠和成年小鼠睪丸中特異性檢測(cè)到，但在檢測(cè)的其他成年器官中沒(méi)有檢測(cè)到。RT-PCR顯示，HSF3在睪丸和卵巢中被檢測(cè)到。通過(guò)重新分析來(lái)自成年小鼠睪丸的scRNA-seq數(shù)據(jù)，來(lái)評(píng)估HSF5和其他HSF成員的生精mRNA水平。scRNA-seq數(shù)據(jù)的統(tǒng)一流形近似和投影（UMAP）顯示，HSF5 mRNA水平在減數(shù)分裂前期增加，與小鼠生精細(xì)胞中其他HSF成員不同。與生精表達(dá)相比，RT-qPCR在胚胎第12.5天（E12.5）-E18.5天的胎兒卵巢中幾乎沒(méi)有檢測(cè)到HSF5的表達(dá)，提示HSF5在胎兒卵巢中表達(dá)水平較低。這些觀察結(jié)果表明，HSF家族的同源基因在睪丸的不同階段發(fā)揮作用，并且HSF5在精子發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮著減數(shù)分裂特異性的作用。

圖二 HSF5基因敲除的雄性精子發(fā)生受損

為了闡明HSF5在小鼠中的作用，作者使用CRISPR/Cas9系統(tǒng)敲除C57BL/6受精卵中HSF5位點(diǎn)的所有編碼外顯子。HSF5敲除（KO）睪丸提取物的免疫印跡顯示HSF5蛋白缺失，表明靶向HSF5等位基因被敲除。雖然HSF5 KO雄性小鼠在體細(xì)胞組織中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的表型，在幼年（4周齡）和成年（8周齡）小鼠相比，HSF5 KO小鼠的睪丸更小。組織學(xué)分析顯示，與WT和HSF5 +/-小鼠相比，4周齡HSF5+KO小鼠減數(shù)分裂后精子缺失。因此，在第8周時(shí)，成年HSF5 KO尾側(cè)附睪中沒(méi)有精子。HSF5 KO小鼠中不存在含有PNA凝集素(精子的標(biāo)記物)的精管陽(yáng)性細(xì)胞。因此，精子發(fā)生的后期階段是在HSF5 KO精管中完成的。與雄性相比，HSF5 KO的雌性表現(xiàn)出正常的生育能力，而在成年卵巢中沒(méi)有明顯的缺陷。這些結(jié)果表明，HSF5在精子發(fā)生中是必需的。

圖三 HSF5對(duì)于睪丸中的HSR是不可或缺的

為了評(píng)估HSF5是否參與了HSR，作者在33和37°C時(shí)比較了HSF5 +/-和HSF5 KO睪丸的基因表達(dá)變化。將HSF5 +/-和HSF5 KO小鼠的全睪丸在33或37°C下孵育3h，用RNA-seq檢測(cè)其轉(zhuǎn)錄組。主成分分析（PCA）表明，HSF5 +/-和HSF5 KO睪丸在在37°C與33°C時(shí)沿PC3表現(xiàn)出相同的差異基因表達(dá)趨勢(shì)。此外，在HSF5 +/-和HSF5 KO中分別鑒定出39個(gè)和417個(gè)基因?yàn)椴町惐磉_(dá)基因（DEGs）。在HSF5 +/-和HSF5 KO中普遍發(fā)現(xiàn)了33個(gè)DEGs，包括HSR基因Hspa1a和Hspa1b。這些數(shù)據(jù)表明，HSF5對(duì)于睪丸的熱應(yīng)激反應(yīng)是不可或缺的。

染色質(zhì)結(jié)合分析結(jié)合轉(zhuǎn)錄組分析顯示，HSF5作為一種非典型的HSF，因?yàn)樗陌悬c(diǎn)特異性和對(duì)發(fā)育調(diào)控的需求，而不是主要與熱應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)。

文章來(lái)源：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47601-0