ChIP-seq等在揭示NRF1促進原始生殖細胞的發育、增殖和存活中的應用
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原始生殖細胞（Primordial germ cell，PGC）是生殖細胞前體，可以產生卵母細胞和精子，確保生命延續。盡管PGC特化（PGC specification）得到廣泛研究，但PGC種群在出生前遷移到胚胎性腺后如何維持和擴大仍然難以捉摸。轉錄因子（如PRDM1/BLIMP1、PRDM14和TFAP2C）和信號分子（如BMP和WNT）在PGC特化中發揮著至關重要的作用。核呼吸因子1（Nuclear respiratory factor 1，NRF1）是一種已知參與線粒體生物發生的轉錄因子。最近研究表明，在精子發生過程中，NRF1與生殖細胞特異性基因CpG富集的低甲基化啟動子區結合，并直接激活其轉錄。目前研究揭示與周圍的體細胞相比，胚胎期遷移后的PGC中NRF1高表達，可能是由于PGC基因組逐漸低甲基化。此外，NRF1是PGC體外和體內增殖和存活所必需的，且當異位表達時，NRF1積極促進PSC分化。
2023年8月4日，華東師范大學生命科學學院研究生王鵬翔等為第一作者在《Cell Proliferation》雜志發表題為“NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival”的研究論文，該研究以原始生殖細胞（PGC）為研究對象，通過RNA-seq和ChIP-seq等實驗表明NRF1通過調控支持PGC編程的廣泛轉錄網絡和線粒體代謝，參與調控遷移后PGC存活和增殖。本研究為PGC發育背后的功能機制提供了新的線索，并驗證NRF1是此過程中以前未被鑒定的調控因子。
標題：NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival（NRF1促進原始生殖細胞的發育、增殖和存活）
時間：2023-08-04
期刊：Cell Proliferation
影響因子：IF 8.5
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、Western blot、qRT-PCR等
研究摘要：
NRF1是一種已知的線粒體代謝調控因子，在PGC遷移后發育中起著關鍵作用。本研究結果表明，在胚胎發育過程中，NRF1蛋白水平在PGC遷移后逐漸升高。胚胎生殖細胞的特異性Nrf1敲除導致PGC增殖和存活受損。此外，NRF1還可以主動促進多能干細胞的PGC分化。通過全轉錄組分析和ChIP-seq分析進一步發現NRF1直接調控PGC形成中的關鍵信號分子、增殖和細胞周期中的轉錄因子以及線粒體代謝中的酶。總的來說，本研究結果強調了NRF1調控廣泛轉錄網絡以支持體外和體內遷移后PGC發育。
研究結果
（1）生殖細胞中特異性Nrf1敲除破壞遷移后PGC發育
圖1：NRF1為原始生殖細胞（PGC）發育所必需。
（A） 用NRF1和OCT4抗體在E9.5小鼠胚胎上通過免疫組織熒光（IHF）檢測PGCs中NRF1表達。
（B） 用NRF1抗體和生殖細胞特異性蛋白DDX4抗體對E11.5–15.5胚胎性腺進行IHF測定。（A-B）比例尺：50 μm。插入顯示了代表性區域放大圖像。
（C-D） 通過PGCs中的Tnap-Cre對野生型對照胚胎和Nrf1特異性敲除胚胎（Nrf1−/f-Cre）的E11.5–13.5性腺進行IHF測定，抗Nrf1和OCT4抗體（C），抗Nrf1和DDX4抗體（D），用細胞核染料DAPI復染。比例尺：15 μm。（C）白色箭頭表示NRF1表達完全消失的OCT4+ PGC。
（2）PGCs中Nrf1缺失導致雄性和雌性小鼠不孕
圖2：Nrf1基因敲除導致雄性和雌性小鼠不孕。
（A） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠在P0和7周齡的睪丸形態。
（B） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠在8周齡時睪丸和附睪的組織學研究。
（C） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠7周齡的卵巢形態比較。
（D） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠7周齡的卵巢切片組織學研究。黑色箭頭和數字表示卵泡的不同發育時期。1：原代卵泡；2：次生卵泡；3：黃體。
（3）NRF1缺失破壞了遷移后PGCs的存活和增殖
圖3：NRF1是遷移后原始生殖細胞（PGCs）增殖和存活所必需的。
（A） 用p20-GFP或p20-Cre-p2a-GFP誘導分化的Nrf1f/f PSC的流式細胞術分析。通過SSEA1染色檢測GFP+PGC樣細胞（PGCLCs），右側顯示GFP+/SSEA1+PGCLC百分比。
（B） 使用BV421標記的抗Ki67抗體通過流式細胞術分析（A）的GFP+/SSEA1+PGCLC。
（C） 將（A）的GFP+/SSEA1+PGCLC與BV421標記的膜聯蛋白V和碘化丙啶（PI）共染色，然后通過流式細胞術分析樣品。（A–C）數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。***：p<0.001.
（D-E） E11.5時Nrf1−/f-Cre胚胎及其野生型同窩同伴小鼠生殖嵴上的免疫組織熒光（IHF），使用抗OCT4和Ki67的抗體（D），或OCT4和裂解的Caspase 3（CASP3）抗體（E）。白色箭頭表示Nrf1−/f-Cre胚胎中的OCT4+/Ki67非增殖PGCs（D）或OCT4+/Caspase3+凋亡PGCs（E）。比例尺：10 μm。
（4）NRF1過表達促進PSC PGCLC形成
圖4：NRF1促進PSC形成PGC樣細胞（PGCLC）。
（A） 通過real-time RT-PCR檢測BV+PGCLC中Nrf1和原始生殖細胞（PGC）標記基因的相對mRNA水平，與從BVSC PSC分化的BV−體細胞進行比較。
（B） 與對照組（Ctrl）相比，內源性Nrf1激活（Nrf1a）時通過流式細胞術檢測BV+PGCLC。
（C） 內源性Nrf1激活后，通過real-time RT-PCR檢測第6天EB的相對mRNA水平。（A–C）數據以兩次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。
（D） BVSC PSCs分化第5天的流式細胞術分析。在PSC分化的第2-5天，通過DOX處理誘導NRF1表達（p20-NRF1）。使用相同DOX處理的空載體作為對照（p20）。左圖為流式細胞術的代表性結果，中間panel為BV+PGCLC百分比。右圖為BVSC PSC分化第5天EB的代表性圖像。
（E） real-time RT-PCR檢測第5天分化的EBs中Nrf1和PGC標記基因的mRNA水平。在PSC分化的第2-5天，通過DOX處理誘導NRF1表達。（D–F）數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。（A-F）*：p<0.05；**：p<0.01.***：p<0.001。N.S.：無顯著性。
（5）NRF1是直接調控PGC形成、線粒體代謝和細胞增殖的關鍵基因
圖5：NRF1調控轉錄網絡，誘導PSCs分化為PGC樣細胞（PGCLC）
（A） RNA-seq分析中差異表達基因的Venn圖，Log2倍數變化>0.58，p<0.05。
（B） 有或無NRF1過表達（OE）的BV+PGCLC的RNA-seq分析檢測到的基因火山圖。
（C） 有或無NRF1-OE的BV+PGCLC差異表達基因的GO分析（Log2倍數變化>0.58，p<0.05）。（D） 對DOX誘導的NRF1-OE（p20-NRF1）或空載體對照（p20）的BV+PGCLC的real-time RT-PCR分析。數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。*: p < 0.05;**: p < 0.01。***: p < 0.001。
圖6：原始生殖細胞（PGCs）NRF1介導的轉錄網絡特征。
（A） 從BV+PGC樣細胞（PGCLCs）中進行的ChIP-seq分析中獲得的NRF1結合motif。
（B） 從ChIP-seq分析中獲得的基因組區域NRF1結合位點分布。
（C） BV+PGCLC中NRF1結合的靶基因的GO分析。
（D） ChIP-seq分析的基因組區域中NRF1靶基因啟動子區域的代表性peaks。
（E） 用NRF1抗體或IgG對照對BV+PGCLC的免疫沉淀的基因組DNA進行實時PCR分析。數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。*：p<0.05；**：p<0.01.***：p<0.001。
參考文獻：
Wang P, Su J, Wang J, Xie Y, Chen W, Zhong J, Wang Y. NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival. Cell Prolif. 2023 Aug 4:e13533.
原始生殖細胞（Primordial germ cell，PGC）是生殖細胞前體，可以產生卵母細胞和精子，確保生命延續。盡管PGC特化（PGC specification）得到廣泛研究，但PGC種群在出生前遷移到胚胎性腺后如何維持和擴大仍然難以捉摸。轉錄因子（如PRDM1/BLIMP1、PRDM14和TFAP2C）和信號分子（如BMP和WNT）在PGC特化中發揮著至關重要的作用。核呼吸因子1（Nuclear respiratory factor 1，NRF1）是一種已知參與線粒體生物發生的轉錄因子。最近研究表明，在精子發生過程中，NRF1與生殖細胞特異性基因CpG富集的低甲基化啟動子區結合，并直接激活其轉錄。目前研究揭示與周圍的體細胞相比，胚胎期遷移后的PGC中NRF1高表達，可能是由于PGC基因組逐漸低甲基化。此外，NRF1是PGC體外和體內增殖和存活所必需的，且當異位表達時，NRF1積極促進PSC分化。
2023年8月4日，華東師范大學生命科學學院研究生王鵬翔等為第一作者在《Cell Proliferation》雜志發表題為“NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival”的研究論文，該研究以原始生殖細胞（PGC）為研究對象，通過RNA-seq和ChIP-seq等實驗表明NRF1通過調控支持PGC編程的廣泛轉錄網絡和線粒體代謝，參與調控遷移后PGC存活和增殖。本研究為PGC發育背后的功能機制提供了新的線索，并驗證NRF1是此過程中以前未被鑒定的調控因子。
標題：NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival（NRF1促進原始生殖細胞的發育、增殖和存活）
時間：2023-08-04
期刊：Cell Proliferation
影響因子：IF 8.5
技術平臺：ChIP-seq、RNA-seq、Western blot、qRT-PCR等
研究摘要：
NRF1是一種已知的線粒體代謝調控因子，在PGC遷移后發育中起著關鍵作用。本研究結果表明，在胚胎發育過程中，NRF1蛋白水平在PGC遷移后逐漸升高。胚胎生殖細胞的特異性Nrf1敲除導致PGC增殖和存活受損。此外，NRF1還可以主動促進多能干細胞的PGC分化。通過全轉錄組分析和ChIP-seq分析進一步發現NRF1直接調控PGC形成中的關鍵信號分子、增殖和細胞周期中的轉錄因子以及線粒體代謝中的酶。總的來說，本研究結果強調了NRF1調控廣泛轉錄網絡以支持體外和體內遷移后PGC發育。
研究結果
（1）生殖細胞中特異性Nrf1敲除破壞遷移后PGC發育
圖1：NRF1為原始生殖細胞（PGC）發育所必需。（A） 用NRF1和OCT4抗體在E9.5小鼠胚胎上通過免疫組織熒光（IHF）檢測PGCs中NRF1表達。
（B） 用NRF1抗體和生殖細胞特異性蛋白DDX4抗體對E11.5–15.5胚胎性腺進行IHF測定。（A-B）比例尺：50 μm。插入顯示了代表性區域放大圖像。
（C-D） 通過PGCs中的Tnap-Cre對野生型對照胚胎和Nrf1特異性敲除胚胎（Nrf1−/f-Cre）的E11.5–13.5性腺進行IHF測定，抗Nrf1和OCT4抗體（C），抗Nrf1和DDX4抗體（D），用細胞核染料DAPI復染。比例尺：15 μm。（C）白色箭頭表示NRF1表達完全消失的OCT4+ PGC。
（2）PGCs中Nrf1缺失導致雄性和雌性小鼠不孕
圖2：Nrf1基因敲除導致雄性和雌性小鼠不孕。（A） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠在P0和7周齡的睪丸形態。
（B） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠在8周齡時睪丸和附睪的組織學研究。
（C） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠7周齡的卵巢形態比較。
（D） Nrf1−/f-Cre小鼠及其野生型同窩出生對照小鼠7周齡的卵巢切片組織學研究。黑色箭頭和數字表示卵泡的不同發育時期。1：原代卵泡；2：次生卵泡；3：黃體。
（3）NRF1缺失破壞了遷移后PGCs的存活和增殖
圖3：NRF1是遷移后原始生殖細胞（PGCs）增殖和存活所必需的。（A） 用p20-GFP或p20-Cre-p2a-GFP誘導分化的Nrf1f/f PSC的流式細胞術分析。通過SSEA1染色檢測GFP+PGC樣細胞（PGCLCs），右側顯示GFP+/SSEA1+PGCLC百分比。
（B） 使用BV421標記的抗Ki67抗體通過流式細胞術分析（A）的GFP+/SSEA1+PGCLC。
（C） 將（A）的GFP+/SSEA1+PGCLC與BV421標記的膜聯蛋白V和碘化丙啶（PI）共染色，然后通過流式細胞術分析樣品。（A–C）數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。***：p<0.001.
（D-E） E11.5時Nrf1−/f-Cre胚胎及其野生型同窩同伴小鼠生殖嵴上的免疫組織熒光（IHF），使用抗OCT4和Ki67的抗體（D），或OCT4和裂解的Caspase 3（CASP3）抗體（E）。白色箭頭表示Nrf1−/f-Cre胚胎中的OCT4+/Ki67非增殖PGCs（D）或OCT4+/Caspase3+凋亡PGCs（E）。比例尺：10 μm。
（4）NRF1過表達促進PSC PGCLC形成
圖4：NRF1促進PSC形成PGC樣細胞（PGCLC）。
（A） 通過real-time RT-PCR檢測BV+PGCLC中Nrf1和原始生殖細胞（PGC）標記基因的相對mRNA水平，與從BVSC PSC分化的BV−體細胞進行比較。
（B） 與對照組（Ctrl）相比，內源性Nrf1激活（Nrf1a）時通過流式細胞術檢測BV+PGCLC。
（C） 內源性Nrf1激活后，通過real-time RT-PCR檢測第6天EB的相對mRNA水平。（A–C）數據以兩次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。
（D） BVSC PSCs分化第5天的流式細胞術分析。在PSC分化的第2-5天，通過DOX處理誘導NRF1表達（p20-NRF1）。使用相同DOX處理的空載體作為對照（p20）。左圖為流式細胞術的代表性結果，中間panel為BV+PGCLC百分比。右圖為BVSC PSC分化第5天EB的代表性圖像。
（E） real-time RT-PCR檢測第5天分化的EBs中Nrf1和PGC標記基因的mRNA水平。在PSC分化的第2-5天，通過DOX處理誘導NRF1表達。（D–F）數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。（A-F）*：p<0.05；**：p<0.01.***：p<0.001。N.S.：無顯著性。
（5）NRF1是直接調控PGC形成、線粒體代謝和細胞增殖的關鍵基因
圖5：NRF1調控轉錄網絡，誘導PSCs分化為PGC樣細胞（PGCLC）（A） RNA-seq分析中差異表達基因的Venn圖，Log2倍數變化>0.58，p<0.05。
（B） 有或無NRF1過表達（OE）的BV+PGCLC的RNA-seq分析檢測到的基因火山圖。
（C） 有或無NRF1-OE的BV+PGCLC差異表達基因的GO分析（Log2倍數變化>0.58，p<0.05）。（D） 對DOX誘導的NRF1-OE（p20-NRF1）或空載體對照（p20）的BV+PGCLC的real-time RT-PCR分析。數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。*: p < 0.05;**: p < 0.01。***: p < 0.001。
圖6：原始生殖細胞（PGCs）NRF1介導的轉錄網絡特征。（A） 從BV+PGC樣細胞（PGCLCs）中進行的ChIP-seq分析中獲得的NRF1結合motif。
（B） 從ChIP-seq分析中獲得的基因組區域NRF1結合位點分布。
（C） BV+PGCLC中NRF1結合的靶基因的GO分析。
（D） ChIP-seq分析的基因組區域中NRF1靶基因啟動子區域的代表性peaks。
（E） 用NRF1抗體或IgG對照對BV+PGCLC的免疫沉淀的基因組DNA進行實時PCR分析。數據以三次獨立的生物學重復的平均值±SEM表示。*：p<0.05；**：p<0.01.***：p<0.001。
參考文獻：
Wang P, Su J, Wang J, Xie Y, Chen W, Zhong J, Wang Y. NRF1 promotes primordial germ cell development, proliferation and survival. Cell Prolif. 2023 Aug 4:e13533.
標簽：
ChIP-seq
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