今日《科学》：颠覆传统认知！复旦团队揭开人类卵母细胞纺锤体组装的独特机制

▎药明康德内容团队编辑 

今日，在顶尖学术期刊《科学》在线发表的一篇论文中，复旦大学王磊、桑庆、孙晓溪领衔的研究团队在人类卵母细胞中首次发现了前所未知且与众不同的微管组织中心，由此揭开了人类卵母细胞的纺锤体组装之谜。这一发现也为导致女性不孕的卵母细胞成熟障碍提供了一种新的认识。

卵子是个体生命的起点之一，它的产生源于卵母细胞的发育与成熟。在哺乳动物的细胞分裂过程中，纺锤体精确组装才能保证染色体正确分离，以及后续细胞和胚胎的正常分裂及发育。普通的体细胞由中心体（centrosome）介导纺锤体组装，然而卵母细胞很特别，人和小鼠的卵母细胞中并不存在中心体。

对小鼠的研究显示，小鼠卵母细胞的纺锤体由无中心粒的微观组织中心（简称aMTOCs）介导形成，但人卵母细胞中一直未观察到MTOC的存在。学术界长期以来的观点均认为人卵中不存在MTOC。人类卵母细胞纺锤体究竟是如何形成的？这一科学问题的答案一直未知。

科学家们在此次新研究中发现的人卵母细胞微管组织中心huoMTOC（Human Oocyte Microtubule Organizing Center），不仅为这个问题提供了答案，也打破了长期以来的传统认知。

▲在人类卵母细胞中发现的微管组织中心huoMTOC（图片来源：参考资料[1]）

为鉴定出人类卵母细胞中启动纺锤体微管组装的潜在蛋白，研究人员对人类卵母细胞进行了观察，首先利用免疫荧光和三维高分辨率活细胞成像技术发现，形成的纺锤体微管聚集在染色体的动粒（kinetochore）位置，进而通过活细胞实时三维成像技术（3D time-lapse imaging）详细记录了动粒起始微管组装的动态过程。由此推测，人卵母细胞的动粒可能存在特殊的微管组织中心启动纺锤体微管聚合。

在处于第一次减数分裂中期的人类卵母细胞中，研究人员系统分析了86个主要的人类中心体或微管相关蛋白的定位，最终确定43个蛋白定位于减数分裂的纺锤体内。其中4个蛋白——CCP110，CKAP5，DISC1 和 TACC3——“脱颖而出”，它们同时定位于动粒和纺锤体微管，这与它们在有丝分裂过程中的定位截然不同。

研究人员接着在处于生殖泡（Geminal vesical）期的人类卵母细胞中对这四个蛋白进行了定位观察。出乎意料的是，在GV期核膜附近，这四个蛋白组成了一种特殊结构，新生微管就聚集在该结构周围。这一特殊结构此前从未被发现过，在其他哺乳动物（例如鼠、猪等）的卵母细胞中没有检测到。鉴于该结构在人卵母细胞中负责聚合微管，研究团队将其命名为人卵母细胞微管组织中心。

▲人类卵母细胞处于减数分裂中期时的纺锤体示意图，以及免疫荧光图像中的蛋白定位（图片来源：参考资料[1]）

活细胞追踪成像表明，huoMTOC在人卵母细胞纺锤体组装过程中发挥了重要作用。具体来看，huoMTOC形成于卵母细胞皮质区（cortex），并于核膜破裂（NEBD）之前迁移到核膜附近。随着NEBD的发生，huoMTOC开始解体并逐渐定位于动粒，同时在动粒附近启动纺锤体微管的聚集和生长。当huoMTOC结构遭到破坏时（通过激光烧蚀或下调主要成员蛋白水平），人卵母细胞中的纺锤体微管则会聚合受阻，最终导致无法形成纺锤体。

“与小鼠卵母细胞中的aMTOCs相比，huoMTOC在数量、定位和组成方面显示出截然不同的特征。”研究人员在论文中强调，“这些发现表明，在人类卵母细胞中，微管成核和纺锤体组装的启动机制不同。人类卵母细胞中已经演化出一种独特的微管核和纺锤体组装机制。”

▲这项研究提出了人类卵母细胞中huoMTOC的动态迁移和微管成核的新模型（图片来源：参考资料[1]）

值得一提的是，这项研究还进一步确定了huoMTOC具有的临床意义。研究人员在1400余名卵母细胞成熟障碍患者的全外显子测序数据中进行突变筛查，结果发现两名患者携带TACC3的复杂合致病突变。免疫荧光检测发现，两名患者GV期卵母细胞的huoMTOC结构均被完全破坏，导致卵母细胞中纺锤体组装失败。由此证实，huoMTOC异常将会直接导致女性卵母细胞成熟障碍。

“这表明huoMTOC可能是评估人类卵母细胞质量的一个重要生物标志物。”研究人员总结说。

综上所述，此次研究首次发现了人卵母细胞中组装纺锤体微管的全新亚显微结构huoMTOC，明确了相关分子组成，并阐明了huoMTOC调控人类卵母细胞纺锤体组装的独特生理机制，同时揭示了huoMTOC异常导致患者卵母细胞成熟障碍，为该疾病的病理机制贡献了新认识。

复旦大学生物医学研究院王磊、桑庆及复旦大学附属妇产科医院集爱遗传与不育诊疗中心孙晓溪为通讯作者。复旦大学生物医学研究院武田宇、博士生董洁（已毕业）、上海集爱遗传与不育诊疗中心伏静、上海交通大学附属第九人民医院生殖中心匡延平为本文共同第一作者；此外，上海交通大学附属国际和平妇幼保健院李文、章美玲和复旦大学附属中山医院董曦也参与了该项研究。

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参考资料：

[1] T. Wu et al., The mechanism of acentrosomal spindle assembly in human oocytes. Science (2022). DOI: 10.1126/science.abq7361