复旦大学王磊/桑庆/孙晓溪发Science

iNature 文

2022年11月18日，复旦大学王磊、桑庆团队与孙晓溪团队合作在Science杂志在线发表题为「The mechanism of acentrosomal spindle assembly in human oocytes」的文章，该研究使用了2000多个人类卵母细胞的三维高分辨率成像，并确定命名为一个人类卵母细胞微管组织中心(human oocyte microtubule organizing center, huoMTOC)的结构。

纺锤体的装配对于保证染色体在减数分裂和有丝分裂中的准确传递是必不可少的。在体细胞中，有丝分裂的纺锤体组装是由复制中心体介导的，但许多物种的卵母细胞中缺少典型中心体。在啮齿动物中，无中心体微管组织中心(acentriolar microtule organizing centers, aMTOCs)负责减数分裂纺锤体的组装，但长期以来人们一直认为人类卵母细胞在减数分裂纺锤体上缺乏显著的aMTOCs，而人类卵母细胞无中心体纺锤体组装的确切机制尚不清楚。

huoMTOC产生于卵母细胞皮层下方，并在核膜破裂前迁移到核膜附近。NEBD后，huoMTOC片段在着丝粒上重新定位，启动微管成核和纺锤体组装。huoMTOC的破坏导致纺锤体组装缺陷和卵母细胞成熟阻滞。这些结果揭示了huoMTOC调节人卵母细胞纺锤体组装的生理机制。

微管成核和纺锤体组装是调节卵母细胞核成熟的核心事件。为了确定在人类卵母细胞中驱动纺锤形微管成核的潜在蛋白质，研究人员首先，通过免疫荧光或三维高分辨率活细胞成像在2000多个人类卵母细胞中系统定位了86个人类中心体和微管相关蛋白。发现在人卵母细胞中，纺锤体微管的成核始于核膜破裂(nuclear envelope breakdown, NEBD)后2 - 4小时的着丝粒。研究人员展示了人卵母细胞中纺锤微管由着丝粒成核的过程，发现在减数分裂纺锤体中定位有43个蛋白，其中有4个蛋白——向心性盘绕蛋白110 (CCP110)、细胞骨架相关蛋白5 (CKAP5)、精神分裂症1 (DISC1)中断蛋白和转化酸性盘绕蛋白3 (TACC3)——同时显示出着丝粒和纺锤体微管定位。

然后，跟踪了在NEBD前后不同时间点识别的微管成核物的动态迁移。发现这四种蛋白的定位与在人有丝分裂细胞和小鼠卵母细胞中的定位明显不同。在NEBD之前，这四种蛋白质一起形成了一种不寻常的结构，被人类生发囊泡(GV)卵母细胞中的微管包围。把这种潜在的成核结构称为人类卵母细胞微管组织中心(huoMTOC)，并向核膜迁移。NEBD后，huoMTOC变得碎片化，并被募集到着丝粒上，启动纺锤体微管成核。

图1. 人类卵母细胞中的huoMTOC结构 | 图源：Science

该研究进一步下调相应蛋白，以确认其在微管成核和纺锤体组装中的作用。结果表明huoMTOC组分的下调导致人卵母细胞纺锤体微管成核和纺锤体组装明显受损。在其他哺乳动物如老鼠和猪的卵母细胞中没有检测到这种结构。

考虑到纺锤体微管成核缺陷导致纺锤体组装受损和卵母细胞成熟异常，研究人员在1394例以卵母细胞成熟阻滞为特征的不孕女性患者队列中筛选编码微管成核成分的基因突变。最终发现了两例卵母细胞成熟阻滞患者，其关键huoMTOC成分TACC3存在复合杂合突变。所有突变都破坏了TACC3的正常功能，导致huoMTOC结构的缺失，患者卵母细胞中的纺锤体组装完全受损。

图2. 人卵母细胞中huoMTOC迁移和微管成核的机制模型 | 图源：Science

综上所述，该研究表明人类卵母细胞具有一种类似于aMTOC的结构，即huoMTOC，它是微管成核的主要部位，是纺锤体组装所必需的。与小鼠卵母细胞中的aMTOC相比，huoMTOC在数量、定位和组成方面表现出截然不同的特征。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起始机制已经进化。此外，TACC3突变通过破坏huoMTOC的结构导致纺锤体组装缺陷，从而导致临床卵母细胞成熟阻滞。这提示huoMTOC可能是评价人类卵母细胞质量的重要生物标志物。

huoMTOC的发现为人类卵母细胞微管成核和纺锤体组装的生理机制提供了新的见解。这些发现也提高了我们对卵母细胞成熟阻滞的病理机制的理解。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7361

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