2024年8月23日，MK体育平台生物醫學研究院王磊/桑慶/武田宇團隊聯合上海交通大學附屬國際和平婦幼保健院李文團隊在《科學》（Science）雜誌以長文（Research Article）形式發表題為《人卵紡錘體雙極化的機製》（“Mechanisms of minor pole-mediated spindle bipolarization in human oocytes” ）的文章，首次揭示了人類卵母細胞紡錘體雙極化機製，有望為臨床生殖障礙疾病的診療提供新思路。這也是王磊團隊在人卵發育的生理與病理機製研究上取得的又一重大突破。
人卵母細胞經過減數分裂過程發育成熟，決定了後續受精、早期胚胎發育的進程，是人類成功生殖的重要前提。但對於人卵母細胞成熟與發育的生理機製所知甚少。另一方面，人卵發育異常會導致受精失敗、早期胚胎發育停滯，造成不孕及試管嬰兒反復失敗，長期以來，其背後的病理機製給臨床醫生及患者帶來了諸多困擾。
紡錘體的正確組裝是哺乳動物有絲分裂和減數分裂順利進行的關鍵事件之一，只有紡錘體的精確組裝才能保證染色體的正確分離。紡錘體組裝過程主要包括紡錘體微管聚合以及紡錘體雙極化（spindle bipolarization）。紡錘體微管聚合啟動後，伴隨一系列形態變化，最終形成雙極狀紡錘體，這一過程被稱為紡錘體雙極化。雙極化異常會導致紡錘體組裝失敗、破壞有絲分裂/減數分裂、引起細胞/卵子發育異常。
與有絲分裂細胞相比，人卵母細胞紡錘體組裝機製存在特殊性，但研究尚處於起步階段，有諸多未解之謎。2016年，王磊/桑慶團隊發現靈長類特異β-微管蛋白TUBB8是人卵紡錘體的主要成員，其功能缺陷導致人卵成熟障礙，揭示了人卵紡錘體組成的獨特性（N Eng J Med，2016）；2022年，團隊又發現了人卵中存在前所未知的微管組織中心-huoMTOC，發揮聚合紡錘體微管的作用從而啟動紡錘體的組裝（Science, 2022），進一步說明人卵紡錘體的獨特之處。然而，紡錘體微管聚合啟動之後，最終雙極狀紡錘體是如何形成的？紡錘體雙極化過程中有哪些關鍵分子參與？雙極化異常又將如何導致生殖障礙發生？這些科學問題的答案一直未知。
團隊的最新研究發現，人卵紡錘體微管聚合啟動後，會經歷一段較長時間的 “多極紡錘體”（Multipolar spindle）階段，而後才形成雙極狀紡錘體。研究同時發現了調控紡錘體雙極化的關鍵蛋白，並在臨床多個卵子和胚胎發育異常患者中鑒定到編碼這些關鍵蛋白的基因存在突變，從而揭示了人卵紡錘體雙極化的獨特生理病理機製。
研究人員通過免疫熒光和活細胞時間序列成像，對減數分裂開始後的人卵紡錘體組裝過程進行了高分辨實時觀察。結果顯示，人卵母細胞核膜破裂之後，染色體動粒會相聚成簇。隨後，新生微管負端在動粒附近聚合並初步形成紡錘體的極，將其命名為“小極（Minor pole）”。在第一次減數分裂前中期，多個“小極”組裝形成典型的“多極紡錘體”，多極紡錘體狀態持續長達7-9個小時。在此期間，小極的數目逐漸增多並聚集，直到第一次減數分裂中期形成兩個“大極（Major pole）”，最終完成紡錘體雙極化過程-多極紡錘體轉變為雙極紡錘體。研究人員發現，以上過程與有絲分裂及其他哺乳動物卵母細胞的紡錘體雙極化過程截然不同，進一步展現出人卵紡錘體組裝的獨特機製。
通過篩選，研究人員還發現了3種蛋白（HAUS6, KIF11和KIF18A）的缺失會導致人卵紡錘體雙極化失敗：HAUS6通過促進微管的擴增為紡錘體雙極化提供物質基礎；KIF11通過調控微管間的交聯和相對滑動實現紡錘體的雙向延伸；KIF18A通過抑製微管的過度生長維持紡錘體的穩定性。這3種蛋白相互配合，在人卵紡錘體雙極化建立過程中發揮了重要作用。最後，通過在卵子和胚胎發育異常患者中進行突變篩查，團隊發現多達11位患者分別攜帶HAUS6, KIF11或KIF18A的致病突變，這些突變位點會引起不同程度的紡錘體雙極化異常，從而導致卵母細胞成熟障礙、受精失敗及早期胚胎發育停滯。
該研究首次揭示了人卵紡錘體雙極化的生理機製，發現“多極紡錘體”是人卵紡錘體雙極化過程中必經的生理狀態，明確了調控此過程的關鍵蛋白；同時，研究發現關鍵基因突變導致雙極化異常，引起卵子和胚胎發育障礙的病理機製。該研究為人卵紡錘體組裝過程提供了全新認識，將為臨床生殖障礙疾病的診療提供理論依據。
MK体育平台生物醫學研究院王磊、桑慶及上海交通大學附屬國際和平婦幼保健院李文為通訊作者。MK体育平台生物醫學研究院武田宇和羅宇茜、上海交通大學附屬國際和平婦幼保健院章美玲及上海市生物醫藥技術研究院陳標榜為本文的共同第一作者。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1022
