揭示哺乳動物卵母細胞中的非中心體紡錘體組裝機制

哺乳動物胚胎經(jīng)常異常發(fā)育，從而導致流產(chǎn)和遺傳性疾病，如唐氏綜合癥。胚胎發(fā)育異常的主要原因是卵子減數(shù)分裂過程中的染色體分離錯誤。與體細胞和雄性生殖細胞不同的是，卵子通過一種缺乏中心體的特化微管紡錘體分離染色體。典型的中心體由一對被中心粒周圍材料包圍的中心粒組成，并且是中心體紡錘體（centrosomal spindle）的主要微管組織中心。人們對哺乳動物卵子中的非中心體紡錘體（acentrosomal spindle）是如何組裝的知之甚少。

盡管缺乏中心體，但哺乳動物卵子表達許多中心體蛋白。在一項新的研究中，德國研究人員著重系統(tǒng)性地探究了這些中心體蛋白如何定位到非中心體紡錘體，以便組裝哺乳動物卵子中的微管。相關研究結果近期發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“A liquid-like spindle domain promotes acentrosomal spindle assembly in mammalian oocytes”。

這些研究人員通過在活的和固定的小鼠卵子中聯(lián)合使用高分辨率顯微鏡分析了70種中心體和紡錘體相關蛋白的定位。出乎意料的是，這些蛋白中的19種定位于一種紡錘體結構域（spindle domain），這種結構域滲透到紡錘體的大片區(qū)域并形成突出的球形突起。這些突起是動態(tài)的，彼此融合在一起，并且向外延伸遠遠超出紡錘體極。這種結構域包括中心體蛋白（AKAP450，CEP170和KIZ），中心粒衛(wèi)星蛋白（CEP72，PCM1和LRRC36），負端結合蛋白（CAMSAP3和KANSL3），動力蛋白相關蛋白（HOOK3，NDE1，NDEL1和SPDL1）和控制微管成核和穩(wěn)定性的蛋白（CHC17，chTOG，GTSE1，HAUS6，MCAK，MYO10和TACC3）。位于這種結構域內的蛋白是動態(tài)的，能夠在整個紡錘體區(qū)域中快速地重新分布。通過開展體外和體內測定，他們發(fā)現(xiàn)這種結構域通過相分離形成并且表現(xiàn)類似于液體。因此，他們將它稱為液體狀減數(shù)分裂紡錘體結構域（liquid-like meiotic spindle domain, LISD）。LISD也存在于牛、羊和豬卵子的紡錘體中，因而是廣泛保守的。許多LISD蛋白已在有絲分裂中得到廣泛研究，但是在體細胞中還沒有報道類似的結構，這表明LISD可能是卵母細胞中的非中心體紡錘體所獨有的。

LISD的組裝由具有調節(jié)作用的激酶極光A（kinase aurora A）控制并且依賴于激酶極光A的底物TACC3以及網(wǎng)格蛋白重鏈CHC17，CHC17與TACC3一起結合到微管上。通過不同方式破壞LISD將這種結構域內的微管調節(jié)因子釋放到細胞質中并導致嚴重的紡錘體缺陷。紡錘體變得更小且更不穩(wěn)定，需要較長時間才能分離染色體。微管生長速率顯著下降，它們的總周轉率顯著增加。與染色體著絲點（著絲粒絲）結合的微管以及在紡錘體中央?yún)^(qū)（極間微管）中以反平行方式重疊的微管都出現(xiàn)嚴重的缺失。總之，這些數(shù)據(jù)證實LISD是微管高效組裝和形成穩(wěn)定的非中心體紡錘體所必需的。

綜上所述，這些數(shù)據(jù)揭示了哺乳動物卵子中的一種以前未知的非中心體紡錘體組裝原理：減數(shù)分裂紡錘體組裝由一種突出的液體狀結構域促進，這種結構域含有多種微管調節(jié)因子，并且以一種動態(tài)的方式將它們隔離在紡錘體微管附近。

在諸如卵子之類的較大細胞中，在紡錘體附近局部富集微管調節(jié)因子可能特別重要，如果沒有發(fā)生這種富集，它們將分散在整個細胞質中。液-液相分離（liquid-liquid phase separation）可能是這種富集的理想原理：它隔離微管附近的因子，但仍允許它們在整個紡錘體中動態(tài)擴散。這可能有助于促進紡錘體組裝因子在整個紡錘體中的均勻分布，并測定它們的局部濃度，從而促進有效的紡錘體組裝在較大的卵子細胞質中發(fā)生。