Science:揭示哺乳动物卵母细胞中的非中心体纺锤
2019-10-05 09:02
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  性疾病,如唐氏综合症。胚胎发育异常的主要原因是卵子减数分裂过程中的染色体分离错误。与体细胞和雄性生殖细胞不同的是,卵子通过一种缺乏中心体的特化微管纺锤体分离染色体。典型的中心体由一对被中心粒周围材料包围的中心粒组成,并且是中心体纺锤体(centrosomal spindle)的主要微管组织中心。人们对哺乳动物卵子中的非中心体纺锤体(acentrosomal spindle)是如何组装的知之甚少。

  尽管缺乏中心体,但哺乳动物卵子表达许多中心体蛋白。在一项新的研究中,德国研究人员着重系统性地探究了这些中心体蛋白如何定位到非中心体纺锤体,以便组装哺乳动物卵子中的微管。相关研究结果近期发表在Science期刊上,论文标题为“A liquid-like spindle domain promotes acentrosomal spindle assembly in mammalian oocytes”。

  这些研究人员通过在活的和固定的小鼠卵子中联合使用高分辨率显微镜分析了70种中心体和纺锤体相关蛋白的定位。出乎意料的是,这些蛋白中的19种定位于一种纺锤体结构域(spindle domain),这种结构域渗透到纺锤体的大片区域并形成突出的球形突起。这些突起是动态的,彼此融合在一起,并且向外延伸远远超出纺锤体极。这种结构域包括中心体蛋白(AKAP450,CEP170和KIZ),中心粒卫星蛋白(CEP72,PCM1和LRRC36),负端结合蛋白(CAMSAP3和KANSL3),动力蛋白相关蛋白(HOOK3,NDE1,NDEL1和SPDL1)和控制微管成核和稳定性的蛋白(CHC17,chTOG,GTSE1,HAUS6,MCAK,MYO10和TACC3)。位于这种结构域内的蛋白是动态的,能够在整个纺锤体区域中快速地重新分布。通过开展体外和体内测定,他们发现这种结构域通过相分离形成并且表现类似于液体。因此,他们将它称为液体状减数分裂纺锤体结构域(liquid-like meiotic spindle domain, LISD)。LISD也存在于牛、羊和猪卵子的纺锤体中,因而是广泛保守的。许多LISD蛋白已在有丝分裂中得到广泛研究,但是在体细胞中还没有报道类似的结构,这表明LISD可能是卵母细胞中的非中心体纺锤体所独有的。

  LISD的组装由具有调节作用的激酶极光A(kinase aurora A)控制并且依赖于激酶极光A的底物TACC3以及网格蛋白重链CHC17,CHC17与TACC3一起结合到微管上。通过不同方式破坏LISD将这种结构域内的微管调节因子释放到细胞质中并导致严重的纺锤体缺陷。纺锤体变得更小且更不稳定,需要较长时间才能分离染色体。微管生长速率显著下降,它们的总周转率显著增加。与染色体着丝点(着丝粒丝)结合的微管以及在纺锤体中央区(极间微管)中以反平行方式重叠的微管都出现严重的缺失。总之,这些数据证实LISD是微管高效组装和形成稳定的非中心体纺锤体所必需的。

  综上所述,这些数据揭示了哺乳动物卵子中的一种以前未知的非中心体纺锤体组装原理:减数分裂纺锤体组装由一种突出的液体状结构域促进,这种结构域含有多种微管调节因子,并且以一种动态的方式将它们隔离在纺锤体微管附近。

  在诸如卵子之类的较大细胞中,在纺锤体附近局部富集微管调节因子可能特别重要,如果没有发生这种富集,它们将分散在整个细胞质中。液-液相分离(liquid-liquid phase separation)可能是这种富集的理想原理:它隔离微管附近的因子,但仍允许它们在整个纺锤体中动态扩散。这可能有助于促进纺锤体组装因子在整个纺锤体中的均匀分布,并测定它们的局部浓度,从而促进有效的纺锤体组装在较大的卵子细胞质中发生。