Science发文！生物医学研究院王磊/桑庆团队揭秘人类卵母细胞纺锤...

　　

2024年8月23日，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在《科学》（Science）杂志以长文（Research Article）形式发表题为《人卵纺锤体双极化的机制》（“Mechanisms of minor pole-mediated spindle bipolarization in human oocytes” ）的文章，首次揭示了人类卵母细胞纺锤体双极化机制，有望为临床生殖障碍疾病的诊疗提供新思路。这也是王磊团队在人卵发育的生理与病理机制研究上取得的又一重大突破。

人卵母细胞经过减数分裂过程发育成熟，决定了后续受精、早期胚胎发育的进程，是人类成功生殖的重要前提。但对于人卵母细胞成熟与发育的生理机制所知甚少。另一方面，人卵发育异常会导致受精失败、早期胚胎发育停滞，造成不孕及试管婴儿反复失败，长期以来，其背后的病理机制给临床医生及患者带来了诸多困扰。

纺锤体的正确组装是哺乳动物有丝分裂和减数分裂顺利进行的关键事件之一，只有纺锤体的精确组装才能保证染色体的正确分离。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，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，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（Science, 2022），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。

团队的最新研究发现，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。研究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。

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。研究人员发现，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。

通过筛选，研究人员还发现了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，通过在卵子和胚胎发育异常患者中进行突变筛查，团队发现多达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。

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，研究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。该研究为人卵纺锤体组装过程提供了全新认识，将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。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1022