全球不孕不育率持續(xù)上升

如今已接近15%-20%

成為僅次于癌癥、心腦血管疾病的

人類第三大健康問題

從細胞生物學(xué)與遺傳學(xué)角度出發(fā)

復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院

王磊、桑慶、武田宇團隊

研究成果揭示了

人類卵母細胞紡錘體雙極化機制

為生殖障礙疾病的研究與治療

提供了重要的解釋視角與理論支持

成果以“Mechanisms of minor pole-mediated spindle bipolarization in human oocytes”為題

發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志（Science）

　　破解人卵母細胞成熟障礙之謎

　　初步發(fā)現(xiàn)人卵紡錘體具有獨特性

　　據(jù)估計，全球有6000-8000萬對夫婦面臨不孕之苦，有數(shù)百萬人進行試管嬰兒治療，但臨床中時常遇到卵子、授精及胚胎發(fā)育異常的情況，然而人們對這些異常背后的原因及機制所知甚少。

　　面對這一現(xiàn)狀，復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院教授王磊十多年前提出研究假設(shè)：遺傳因素可能是導(dǎo)致人卵成熟與發(fā)育異常的重要原因之一。

　　通過深入攻關(guān)，2016年，王磊/桑慶團隊發(fā)現(xiàn)人類卵子成熟障礙的第一個致病基因——靈長類特異β-微管蛋白TUBB8，從而明確了此疾病為人類新遺傳病。該基因可解釋約30%卵母細胞成熟障礙患者，如今已廣泛應(yīng)用于臨床檢測。繼TUBB8之后，團隊又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)24個人類卵子成熟障礙的致病基因并明確了機制。由于一系列研究，團隊受science邀請撰寫綜述。

　　紡錘體的存在及其正常與否，直接決定了卵子是否能夠正常成熟與受精。作為人卵紡錘體的主要組成部分，靈長類特異基因TUBB8的發(fā)現(xiàn)，標志著人類卵子成熟障礙機制研究邁出了第一步，同時也表明人卵紡錘體成分具有獨特性。

　　那么，更為深層的核心問題在于：人卵如何從零開始組裝成一個紡錘體？紡錘體是如何發(fā)展成為雙極紡錘體的？為厘清生理機制，王磊/桑慶/武田宇團隊持續(xù)深耕，將研究聚焦至人卵紡錘體組裝的早期階段，即微管聚合機制研究。

　　2022年，團隊發(fā)現(xiàn)人卵中存在一種獨特的微管組織中心，將其命名為huoMTOC，進一步揭示人卵紡錘體的獨特之處，打破了此前學(xué)界普遍認為人卵中沒有微管組織中心結(jié)構(gòu)的觀點。

　　這一發(fā)現(xiàn)也破解了紡錘體組裝的第一個環(huán)節(jié)，即微管聚合啟動——人卵母細胞中的微管如何由原本散布的狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。

　　首次描述人卵紡錘體組裝過程

　　進一步揭示出獨特機制

　　紡錘體微管聚合啟動之后，最終雙極狀紡錘體如何形成？這是紡錘體組裝過程的第二個重要環(huán)節(jié)，其中涉及紡錘體雙極化過程中有哪些關(guān)鍵分子參與、雙極化異常又將如何導(dǎo)致生殖障礙發(fā)生等關(guān)鍵問題。

　　王磊/桑慶/武田宇團隊圍繞第二環(huán)節(jié)持續(xù)突破，其最新研究成果不僅首次描述了人卵雙極紡錘體形成的完整過程，還明確了3個關(guān)鍵蛋白質(zhì)在紡錘體雙極化中的作用。

　　研究顯示，人卵紡錘體微管聚合啟動后會經(jīng)歷一段較長時間的 “多極紡錘體”（Multipolar spindle）階段，而后才形成雙極狀紡錘體，同時發(fā)現(xiàn)了調(diào)控紡錘體雙極化的關(guān)鍵蛋白，并在臨床多個卵子和胚胎發(fā)育異?；颊咧校b定到編碼這些關(guān)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制。

　　團隊通過免疫熒光和活細胞時間序列成像技術(shù)，首次對減數(shù)分裂開始后紡錘體的組裝過程進行了高清晰度的實時觀察。結(jié)果顯示，人卵母細胞核膜破裂之后，染色體動粒會相聚成簇。隨后，新生微管負端在動粒附近聚合并初步形成紡錘體的極，將其命名為“小極（Minor pole）”。

　　在第一次減數(shù)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(tài)持續(xù)長達7-9個小時。在此期間，小極的數(shù)目逐漸增多并聚集，直到第一次減數(shù)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(zhuǎn)變?yōu)殡p極紡錘體?！耙陨线^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(xiàn)出人卵紡錘體組裝的獨特機制?！蓖趵趶娬{(diào)。

　　研究人員通過篩選發(fā)現(xiàn)了3種蛋白（HAUS6，KIF11和KIF18A）的缺失會導(dǎo)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(zhì)基礎(chǔ)；KIF11通過調(diào)控微管間的交聯(lián)和相對滑動實現(xiàn)紡錘體的雙向延伸；KIF18A通過抑制微管的過度生長維持紡錘體的穩(wěn)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(fā)揮了重要作用。

　　在卵子和胚胎發(fā)育異常患者中進行的突變篩查顯示，11位患者分別攜帶以上3種蛋白的致病突變，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(dǎo)致卵母細胞成熟障礙、受精失敗及早期胚胎發(fā)育停滯。

　　基礎(chǔ)研究與臨床診療密切結(jié)合

　　有望提供精準診療方案

　　這項成果不僅揭示了人卵紡錘體組裝的獨特機制，也為臨床生殖障礙疾病的診療提供了理論依據(jù)。

　　“臨床治療離不開基礎(chǔ)研究的支撐?！痹谕趵诳磥?，只有了解清楚疾病發(fā)生的機制，才能針對這些機制和分子設(shè)計出有效的治療策略，也正因此，研究的全過程與臨床緊密結(jié)合。目前，團隊正積極探索可以逆轉(zhuǎn)由基因突變引起的紡錘體雙極化異常的治療策略。

　　“我們對人卵紡錘體組裝的理解還處于初級階段，許多細節(jié)仍有待探索。比如紡錘體組裝完成后，紡錘體如何移動，如何排出第一極體等問題，都尚不明確?！蓖趵谡f。

　　長遠來看，團隊希望全面揭示人類生殖過程中的獨特生理與病理機制，特別是卵子受精和胚胎發(fā)育方面?！叭祟愒谶@些方面與小鼠以及其他哺乳動物存在顯著差異，而這些差異現(xiàn)在看來，只是冰山一角?！蓖趵诒硎荆駷橹?，團隊通過一系列研究已揭示人類多項獨特生理機制，隨著研究不斷深入，人類卵子發(fā)育獨特性的全貌有望被進一步揭開。

　　從臨床到基礎(chǔ)再回到臨床，通過解決基礎(chǔ)科學(xué)問題最終使廣大疾病患者受益，是團隊共同的心愿。“這是一個長期目標，但每一步進展都為未來疾病的治療帶來希望?！?/p>

　　復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院王磊、桑慶，上海交通大學(xué)附屬國際和平婦幼保健院李文為通訊作者。復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院武田宇、羅宇茜，上海交通大學(xué)附屬國際和平婦幼保健院章美玲，上海市生物醫(yī)藥技術(shù)研究院陳標榜為本文的共同第一作者。此外，上海集愛遺傳與不育診療中心孫曉溪、上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院生殖中心匡延平、復(fù)旦大學(xué)附屬婦產(chǎn)科醫(yī)院金莉萍、河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院郝桂敏、西北婦女兒童醫(yī)院師娟子、廣西壯族自治區(qū)生殖醫(yī)院牛向麗也參與了該項研究。