打破認知：王磊/桑慶/孫曉溪揭開人類卵母細胞紡錘體組裝新機制
在細胞有絲分裂中，紡錘體的正確組裝對于染色體的精確分離具有重要意義。
一般細胞中，紡錘體組裝主要依賴微管組織中心（microtubuleorganizing centers,MTOCs）中心體（centrosome），但許多動物的卵母細胞進行分裂的過程中是沒有中心體的，其中紡錘體組裝是如何啟動并形成的？
過去的研究發(fā)現(xiàn)，在爪蟾、小鼠卵子中，由無中心粒的微管組織中心（acentriolar microtubuleorganizing centers,aMTOCs）介導(dǎo)微管組裝與紡錘體形成，但是在人卵中，從上世紀八十年代開始，一直未觀察到存在aMTOCs，因此學(xué)術(shù)界長期以來的觀點均認為人卵中不存在MTOC，領(lǐng)域內(nèi)的權(quán)威學(xué)者近年來連續(xù)在Science、Annu.Rev. Cell Dev. Biol和Trendsin CellBiology等雜志上明確認為人卵中不存在MTOC【1,2,3】。
今日，Science雜志以研究長文的形式發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)王磊教授團隊突破性的成果，報道了人卵細胞中存在與眾不同的微觀組織中心，命名為huoMTOC，打破了領(lǐng)域內(nèi)多年的認知，并從生理和病理角度揭示了huoMTOC異常的重要生物學(xué)意義。
2022年11月18日，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院王磊、桑慶團隊聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院集愛遺傳與不育診療中心孫曉溪在Science雜志發(fā)表題為“Themechanism of acentrosomal spindle assembly in humanoocytes ”的文章，發(fā)現(xiàn)人卵母細胞中存在著前所未知且與眾不同的微管組織中心，研究者將其命名為huoMTOC（HumanOocyte Microtubule OrganizingCenter），明確了相關(guān)分子組成、闡明了人卵母細胞啟動紡錘體組裝的生理機制，最后在卵母細胞紡錘體組裝異常患者中鑒定到huoMTOC組分的基因突變，從生理病理角度揭示了人卵母細胞紡錘體組裝新機制。
值得一提的是，2016年王磊/桑慶團隊明確了人卵母細胞成熟障礙為新孟德爾遺傳病，發(fā)現(xiàn)了第一個致病基因TUBB8并揭示了病理機制（NEng JMed，2016）。
TUBB8為靈長類特異基因，構(gòu)成人類卵母細胞紡錘體的主要成員。結(jié)合此次發(fā)現(xiàn)人卵母細胞中存在獨特的huoMTOC與微管形成及紡錘體組裝密切相關(guān)，這些證據(jù)表明：與其他哺乳動物相比，人卵母細胞在發(fā)育與進化中存在諸多獨特之處。
首先，研究人員利用免疫熒光和高分辨成像技術(shù)對核膜破裂后的人卵母細胞進行觀察，結(jié)果顯示其形成的紡錘體微管主要聚集于染色體的動粒（kinetochore）位置。進而，通過活細胞實時三維成像技術(shù)（3Dtime-lapseimaging）詳細記錄了動粒起始微管組裝的動態(tài)過程。
由此推測，人卵母細胞動?？赡艽嬖谔厥獾奈⒐芙M織中心起始紡錘體微管聚合。隨后，研究者在處于第一次減數(shù)分裂中期的人卵母細胞中，對86個主要的中心體或微管相關(guān)蛋白進行了定位分析，最終確定43個蛋白具有人卵母細胞紡錘體相關(guān)定位。其中，有四個蛋白（CCP110，CKAP5，DISC1和TACC3）同時定位于動粒和微管，這與他們在有絲分裂過程中的定位截然不同。
研究人員于是將上述四個蛋白在GV (Geminalvesical) 期人卵母細胞中進行定位觀察，另人意外的是，在GV期核膜附近這四個蛋白組成了一種此前從未被發(fā)現(xiàn)的特殊結(jié)構(gòu)，同時在該結(jié)構(gòu)周圍觀察到新生微管聚集，而在鼠、豬卵母細胞中并未觀察到該結(jié)構(gòu)。
由于該結(jié)構(gòu)在人卵母細胞中負責聚合微管，因此研究者將其命名為人卵母細胞微管組織中心（humanoocyte microtubule organizing center，huoMTOC）。
人類卵母細胞處于減數(shù)分裂中期時的紡錘體示意圖，以及免疫熒光圖像中的蛋白定位
其次，研究者利用活細胞追蹤成像對此結(jié)構(gòu)進行追蹤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，huoMTOC形成于卵母細胞皮質(zhì)區(qū)（cortex），并于NEBD（Nuclearenvelopebreakdown）之前遷移到核膜附近。隨著NEBD的發(fā)生，huoMTOC開始碎裂并逐漸定位于動粒，同時在動粒附近起始紡錘體微管的聚集和生長。當huoMTOC結(jié)構(gòu)被破壞時（通過激光燒蝕或下調(diào)主要成員蛋白水平），人卵母細胞中的紡錘體微管則會聚合受阻，最終導(dǎo)致無法形成紡錘體。上述結(jié)果表明，huoMTOC在人卵母細胞紡錘體組裝過程中發(fā)揮重要作用。
最后，為了進一步確定huoMTOC是否具有臨床意義，研究人員在1400余名卵母細胞成熟障礙患者的全外顯子測序數(shù)據(jù)中進行突變篩查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩位患者攜帶TACC3的復(fù)雜合致病突變。
免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)，兩位患者GV期卵母細胞的huoMTOC結(jié)構(gòu)均被完全破壞，同時在MI期卵母細胞中均沒有紡錘體形成。由此證實，huoMTOC異常將會直接導(dǎo)致女性卵母細胞成熟障礙。
這項研究提出了人類卵母細胞中huoMTOC的動態(tài)遷移和微管成核的新模型
綜上所述，研究人員首次發(fā)現(xiàn)了人卵母細胞中組裝紡錘體微管的全新亞顯微結(jié)構(gòu)huoMTOC，并且闡明了huoMTOC調(diào)控人類卵母細胞紡錘體組裝的獨特生理機制，同時揭示了huoMTOC異常導(dǎo)致患者卵母細胞成熟障礙，為該疾病的病理機制貢獻了新認識。
復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院王磊、桑慶及上海集愛遺傳與不育診療中心孫曉溪為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院武田宇、博士生董潔（已畢業(yè)）、上海集愛遺傳與不育診療中心伏靜、上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院生殖中心匡延平為本文共同第一作者；此外，上海交通大學(xué)附屬國際和平婦幼保健院李文、章美玲和復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院董曦也參與了該項研究。
期刊：Science
影響因子：63.714
客戶單位：復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院/上海集愛遺傳與不育診療中心
文章作者：武田宇、董潔、伏靜、匡延平
通訊作者：王磊、桑慶、孫曉溪
參考文獻
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