2024年4月29日，日本熊本大學Kei-ichiro Ishiguro團隊在Nature communications發表“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錄因子HSF5在非應激條件下對雄性減數分裂前期至關重要。

減數分裂前期的進展在雄性和雌性中受到不同的調控。在雄性中，減數分裂前期的粗線轉變伴隨著基因表達的改變。然而，基因表達如何不同的調控，以確保減數分裂前期完成仍然知之甚少。在此，作者鑒定了HSF5作為一個雄性生殖細胞特異性熱休克轉錄因子（HSF）的減數分裂前期進展中的作用。基因分析和單細胞RNA測序表明，在非應激條件下，而不是熱應激條件下，HSF5對超過粗線期階段的進展至關重要。體內染色質結合分析和體外DNA結合分析表明，HSF5與染色質組織相關的一個基因子集中的啟動子結合。HSF5識別的DNA基序不同于其他典型HSF識別的典型熱休克元件。本研究提示HSF5是一種非典型HSF，是雄性減數分裂前期粗線質轉化的基因表達程序所必需的。

圖一 HSF5在小鼠睪丸的減數分裂前期表達

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功能尚未完全闡明。在小鼠基因組中鑒定出6個編碼HSFs的同源基因。HSF家族具有一個DNA結合域，并在熱應激反應（HSR）和非應激條件下作為一個轉錄因子。HSF1、HSF2和HSF4具有兩個七肽重復序列HR-A和HR-B，它們被預測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結合域（HSF5-DBD）的HSF5片段在25°C和42°C上均處于單體狀態，表明HSF5的寡聚化是由DBD以外的另一個區域介導的。

因此，HSF5在體外具有進行寡聚的結構特征。作者使用RT-PCR檢測了不同小鼠組織中HSF5的穩態mRNA水平。HSF5 mRNA在幼年小鼠和成年小鼠睪丸中特異性檢測到，但在檢測的其他成年器官中沒有檢測到。RT-PCR顯示，HSF3在睪丸和卵巢中被檢測到。通過重新分析來自成年小鼠睪丸的scRNA-seq數據，來評估HSF5和其他HSF成員的生精mRNA水平。scRNA-seq數據的統一流形近似和投影（UMAP）顯示，HSF5 mRNA水平在減數分裂前期增加，與小鼠生精細胞中其他HSF成員不同。與生精表達相比，RT-qPCR在胚胎第12.5天（E12.5）-E18.5天的胎兒卵巢中幾乎沒有檢測到HSF5的表達，提示HSF5在胎兒卵巢中表達水平較低。這些觀察結果表明，HSF家族的同源基因在睪丸的不同階段發揮作用，并且HSF5在精子發生過程中發揮著減數分裂特異性的作用。

圖二 HSF5基因敲除的雄性精子發生受損

為了闡明HSF5在小鼠中的作用，作者使用CRISPR/Cas9系統敲除C57BL/6受精卵中HSF5位點的所有編碼外顯子。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雄性小鼠在體細胞組織中沒有表現出明顯的表型，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。組織學分析顯示，與WT和HSF5 +/-小鼠相比，4周齡HSF5+KO小鼠減數分裂后精子缺失。因此，在第8周時，成年HSF5 KO尾側附睪中沒有精子。HSF5 KO小鼠中不存在含有PNA凝集素(精子的標記物)的精管陽性細胞。因此，精子發生的后期階段是在HSF5 KO精管中完成的。與雄性相比，HSF5 KO的雌性表現出正常的生育能力，而在成年卵巢中沒有明顯的缺陷。這些結果表明，HSF5在精子發生中是必需的。

圖三 HSF5對于睪丸中的HSR是不可或缺的

為了評估HSF5是否參與了HSR，作者在33和37°C時比較了HSF5 +/-和HSF5 KO睪丸的基因表達變化。將HSF5 +/-和HSF5 KO小鼠的全睪丸在33或37°C下孵育3h，用RNA-seq檢測其轉錄組。主成分分析（PCA）表明，HSF5 +/-和HSF5 KO睪丸在在37°C與33°C時沿PC3表現出相同的差異基因表達趨勢。此外，在HSF5 +/-和HSF5 KO中分別鑒定出39個和417個基因為差異表達基因（DEGs）。在HSF5 +/-和HSF5 KO中普遍發現了33個DEGs，包括HSR基因Hspa1a和Hspa1b。這些數據表明，HSF5對于睪丸的熱應激反應是不可或缺的。

染色質結合分析結合轉錄組分析顯示，HSF5作為一種非典型的HSF，因為它的靶點特異性和對發育調控的需求，而不是主要與熱應激反應相關。

文章來源：

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