揭示哺乳動物卵母細胞中的非中心體紡錘體組裝機制

哺乳動物胚胎經常異常發育，從而導致流產和遺傳性疾病，如唐氏綜合癥。胚胎發育異常的主要原因是卵子減數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域并形成突出的球形突起。這些突起是動態的，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的，能夠在整個紡錘體區域中快速地重新分布。通過開展體外和體內測定，他們發現這種結構域通過相分離形成并且表現類似于液體。因此，他們將它稱為液體狀減數分裂紡錘體結構域（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區（極間微管）中以反平行方式重疊的微管都出現嚴重的缺失。總之，這些數據證實LISD是微管高效組裝和形成穩定的非中心體紡錘體所必需的。

綜上所述，這些數據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因子，并且以一種動態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因子可能特別重要，如果沒有發生這種富集，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生。