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(wèn)題

從細(xì)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(tuán)隊(duì)

研究成果揭示了

人類卵母細(xì)胞紡錘體雙極化機(jī)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(xì)胞成熟障礙之謎

　　初步發(fā)現(xiàn)人卵紡錘體具有獨(dú)特性

　　據(jù)估計(jì)，全球有6000-8000萬(wàn)對(duì)夫婦面臨不孕之苦，有數(shù)百萬(wàn)人進(jìn)行試管嬰兒治療，但臨床中時(shí)常遇到卵子、授精及胚胎發(fā)育異常的情況，然而人們對(duì)這些異常背后的原因及機(jī)制所知甚少。

　　面對(duì)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(guò)深入攻關(guān)，2016年，王磊/桑慶團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人類卵子成熟障礙的第一個(gè)致病基因——靈長(zhǎng)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(xì)胞成熟障礙患者，如今已廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)。繼TUBB8之后，團(tuán)隊(duì)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)24個(gè)人類卵子成熟障礙的致病基因并明確了機(jī)制。由于一系列研究，團(tuán)隊(duì)受science邀請(qǐng)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(zhǎng)類特異基因TUBB8的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類卵子成熟障礙機(jī)制研究邁出了第一步，同時(shí)也表明人卵紡錘體成分具有獨(dú)特性。

　　那么，更為深層的核心問(wèn)題在于：人卵如何從零開(kāi)始組裝成一個(gè)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(jī)制，王磊/桑慶/武田宇團(tuán)隊(duì)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(jī)制研究。

　　2022年，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)人卵中存在一種獨(dú)特的微管組織中心，將其命名為huoMTOC，進(jìn)一步揭示人卵紡錘體的獨(dú)特之處，打破了此前學(xué)界普遍認(rèn)為人卵中沒(méi)有微管組織中心結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。

　　這一發(fā)現(xiàn)也破解了紡錘體組裝的第一個(gè)環(huán)節(jié)，即微管聚合啟動(dòng)——人卵母細(xì)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(guò)程

　　進(jìn)一步揭示出獨(dú)特機(jī)制

　　紡錘體微管聚合啟動(dòng)之后，最終雙極狀紡錘體如何形成？這是紡錘體組裝過(guò)程的第二個(gè)重要環(huán)節(jié)，其中涉及紡錘體雙極化過(guò)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(wèn)題。

　　王磊/桑慶/武田宇團(tuán)隊(duì)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(guò)程，還明確了3個(gè)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(dòng)后會(huì)經(jīng)歷一段較長(zhǎng)時(shí)間的 “多極紡錘體”（Multipolar spindle）階段，而后才形成雙極狀紡錘體，同時(shí)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(gè)卵子和胚胎發(fā)育異?；颊咧?，鑒定到編碼這些關(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(dú)特生理病理機(jī)制。

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)免疫熒光和活細(xì)胞時(shí)間序列成像技術(shù)，首次對(duì)減數(shù)分裂開(kāi)始后紡錘體的組裝過(guò)程進(jìn)行了高清晰度的實(shí)時(shí)觀察。結(jié)果顯示，人卵母細(xì)胞核膜破裂之后，染色體動(dòng)粒會(huì)相聚成簇。隨后，新生微管負(fù)端在動(dòng)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(gè)“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(zhǎng)達(dá)7-9個(gè)小時(shí)。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(gè)“大極（Major pole）”，最終完成紡錘體雙極化過(guò)程-多極紡錘體轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極紡錘體?！耙陨线^(guò)程與有絲分裂及其他哺乳動(dòng)物卵母細(xì)胞的紡錘體雙極化過(guò)程截然不同，進(jìn)一步展現(xiàn)出人卵紡錘體組裝的獨(dú)特機(jī)制?！蓖趵趶?qiáng)調(diào)。

　　研究人員通過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)了3種蛋白（HAUS6，KIF11和KIF18A）的缺失會(huì)導(dǎo)致人卵紡錘體雙極化失敗：HAUS6通過(guò)促進(jìn)微管的擴(kuò)增為紡錘體雙極化提供物質(zhì)基礎(chǔ)；KIF11通過(guò)調(diào)控微管間的交聯(lián)和相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)紡錘體的雙向延伸；KIF18A通過(guò)抑制微管的過(guò)度生長(zhǎng)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(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

　　在卵子和胚胎發(fā)育異?；颊咧羞M(jìn)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(diǎn)會(huì)引起不同程度的紡錘體雙極化異常，從而導(dǎo)致卵母細(xì)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(zhǔn)診療方案

　　這項(xiàng)成果不僅揭示了人卵紡錘體組裝的獨(dú)特機(jī)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(kāi)基礎(chǔ)研究的支撐。”在王磊看來(lái)，只有了解清楚疾病發(fā)生的機(jī)制，才能針對(duì)這些機(jī)制和分子設(shè)計(jì)出有效的治療策略，也正因此，研究的全過(guò)程與臨床緊密結(jié)合。目前，團(tuán)隊(duì)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(duì)人卵紡錘體組裝的理解還處于初級(jí)階段，許多細(xì)節(jié)仍有待探索。比如紡錘體組裝完成后，紡錘體如何移動(dòng)，如何排出第一極體等問(wèn)題，都尚不明確。”王磊說(shuō)。

　　長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，團(tuán)隊(duì)希望全面揭示人類生殖過(guò)程中的獨(dú)特生理與病理機(jī)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(dòng)物存在顯著差異，而這些差異現(xiàn)在看來(lái)，只是冰山一角?！蓖趵诒硎?，迄今為止，團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列研究已揭示人類多項(xiàng)獨(dú)特生理機(jī)制，隨著研究不斷深入，人類卵子發(fā)育獨(dú)特性的全貌有望被進(jìn)一步揭開(kāi)。

　　從臨床到基礎(chǔ)再回到臨床，通過(guò)解決基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題最終使廣大疾病患者受益，是團(tuán)隊(duì)共同的心愿?！斑@是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，但每一步進(jìn)展都為未來(lái)疾病的治療帶來(lái)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(guó)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(guó)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(biāo)榜為本文的共同第一作者。此外，上海集愛(ài)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(xiàng)研究。