Science：王磊/桑庆/武田宇/李文合作揭示人类卵母细胞纺锤体双极化机制
文摘
2024-08-24 09:17
北京
2024年8月23日，Science发表复旦大学生物医学研究院王磊/桑庆/武田宇团队联合上海交通大学附属国际和平妇幼保健院李文团队题为Mechanisms of minor pole-mediated spindle bipolarization in human oocytes的研究论文。该团队发现人卵纺锤体微管聚合启动后，会经历一段较长时间的 “多极纺锤体”（Multipolar spindle）阶段，而后才形成双极状纺锤体，同时发现了调控纺锤体双极化的关键蛋白，并在临床多个卵子和胚胎发育异常患者中鉴定到编码这些关键蛋白的基因存在突变，从而揭示了人卵纺锤体双极化的独特生理病理机制。
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首先，研究人员通过免疫荧光和活细胞时间序列成像，对减数分裂开始后的人卵纺锤体组装过程进行了高分辨实时观察。结果显示，人卵母细胞核膜破裂之后，染色体动粒会相聚成簇。随后，新生微管负端在动粒附近聚合并初步形成纺锤体的极，将其命名为“小极（Minor pole）”。在第一次减数分裂前中期，多个“小极”组装形成典型的“多极纺锤体”，多极纺锤体状态持续长达7-9个小时。在此期间，小极的数目逐渐增多并聚集，直到第一次减数分裂中期形成两个“大极（Major pole）”，最终完成纺锤体双极化过程-多极纺锤体转变为双极纺锤体。以上过程与有丝分裂及其他哺乳动物卵母细胞的纺锤体双极化过程截然不同，进一步展现出人卵纺锤体组装的独特机制。
纺锤体组装是决定染色体精确分离的重要前提，是有丝分裂/减数分裂的关键事件之一。纺锤体组装过程主要包括纺锤体微管聚合以及纺锤体双极化（spindle bipolarization）。纺锤体微管聚合启动后，伴随一系列形态变化，最终形成双极状纺锤体，这一过程被称为纺锤体双极化。双极化异常会导致纺锤体组装失败、破坏有丝分裂/减数分裂、引起细胞/卵子发育异常。与有丝分裂细胞相比，人卵母细胞纺锤体组装机制存在特殊性，但研究尚处于起步阶段，有诸多未解之谜。2016年，复旦大学生物医学研究院王磊/桑庆团队发现灵长类特异β-微管蛋白TUBB8是人卵纺锤体的主要成员，其功能缺陷导致人卵成熟障碍，揭示了人卵纺锤体组成的独特性（N Eng J Med，2016）；2022年，该团队又发现了人卵中存在前所未知的微管组织中心-huoMTOC，发挥聚合纺锤体微管的作用从而启动纺锤体的组装，进一步说明人卵纺锤体的独特之处。然而，纺锤体微管聚合启动之后，最终双极状纺锤体是如何形成的？纺锤体双极化过程中有哪些关键分子参与？双极化异常又将如何导致生殖障碍发生？这些科学问题的答案一直未知。
研究人员通过筛选发现3种蛋白（HAUS6, KIF11和KIF18A）的缺失会导致人卵纺锤体双极化失败：HAUS6通过促进微管的扩增为纺锤体双极化提供物质基础；KIF11通过调控微管间的交联和相对滑动实现纺锤体的双向延伸；KIF18A通过抑制微管的过度生长维持纺锤体的稳定性。这3种蛋白相互配合，在人卵纺锤体双极化建立过程中发挥了重要作用。最后在卵子和胚胎发育异常患者中进行突变筛查，发现多达11位患者分别携带HAUS6, KIF11或KIF18A的致病突变，这些突变位点会引起不同程度的纺锤体双极化异常，从而导致卵母细胞成熟障碍、受精失败及早期胚胎发育停滞。综上所述，该研究首次揭示了人卵纺锤体双极化的生理机制，发现“多极纺锤体”是人卵纺锤体双极化过程中必经的生理状态，明确了调控此过程的关键蛋白；同时，发现关键基因突变导致双极化异常引起卵子和胚胎发育障碍的病理机制。研究为人卵纺锤体组装过程提供了全新认识，并为临床生殖障碍疾病的诊疗提供理论依据。复旦大学生物医学研究院王磊、桑庆及上海交通大学附属国际和平妇幼保健院李文为通讯作者。复旦大学生物医学研究院武田宇和罗宇茜、上海交通大学附属国际和平妇幼保健院章美玲及上海市生物医药技术研究院陈标榜为本文的共同第一作者。此外，上海集爱遗传与不育诊疗中心孙晓溪，上海交通大学附属第九人民医院生殖中心匡延平，复旦大学附属妇产科医院金莉萍，河北医科大学第二医院郝桂敏，西北妇女儿童医院师娟子及广西壮族自治区生殖医院牛向丽也参与了该项研究。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1022
