尋找卵細胞分裂的獨特之處
公佈於2021年02月03日

要產下健康的嬰兒,女性的卵子需要在受精前把染色體的數目減半。近日德國馬克斯.普朗克生物物理化學研究所(Max Planck Institute for Biophysical Chemistry)的細胞生物學團隊,當中包括2016年裘槎博士獎學金及2020年馬普裘槎博士後獎學金得主蘇俊博士,於哺乳類動物的卵子內發現了前所未知的結構。這個結構似乎是對卵子於容易出錯的細胞分裂中分配染色體是不可或缺的。這個發現以及後續的研究結果將幫助進一步了解女性不育的問題。

當卵子受精時,卵子和精子的遺傳物質結合,重新形成雙倍體的合子(zygote)。在正常情況下,合子將發育成胚胎然後變成胎兒。不過,當容易出錯的減數分裂導致受精卵(fertilised egg)擁有過多或過少染色體,形成的胚胎通常會在懷孕初期死亡,或者發育成帶有唐氏綜合症等染色體異常疾病的嬰兒。

蘇俊解釋,當體細胞進行細胞分裂時,名為紡錘體(spindle)的細胞機器會確保染色體得以正確分配。紡錘體由蛋白絲(protein fibres)組成,從兩個紡錘極(poles)向外以扇形延伸。紡錘體首先把捕獲的染色體排列在同一個平面上,然後染色體會被平均拉向兩極。要正確執行這些精密的過程,細胞必須控制紡錘體的形成。在大部分體細胞裡,這項工作由中心體(centrosomes)負責。可是,卵子並沒有中心體,因此卵子如何控制紡錘體的組裝一直是個謎。

由馬克斯.普朗克生物物理化學研究所所長Melina Schuh博士帶領的研究團隊發現,在小鼠及其他哺乳類動物的卵子裏有一個前所未知的結構是對紡錘體的組裝是不可或缺的。這結構能確保卵子獲得正確數目的染色體,形成健康的胚胎。這項研究結果於去年在《科學》期刊上發表[2],而蘇俊是該篇論文的第一作者。

Schuh博士解釋:「雖然卵子沒有中心體,但卵子裡能找到很多中心體的蛋白。於是我們對這些蛋白在卵子裡的作用感到好奇。讓我們感到驚訝的是,我們在顯微鏡下觀察到有19個蛋白定位在紡錘體區域裏的一個特殊結構上。」

這個新發現的結構有獨特的屬性。這個新結構有別於細胞內大部分結構,並沒有被膜包圍自身以隔開四周的細胞質。相反,新結構看似是由液—液相分離(liquid-liquid phase separation)形成的,蘇俊說:「這個結構裡的蛋白跟細胞質自發分離,就如做油醋汁時,油和醋會自然分離。」此外,這個結構的特性也與液體相似,個別小滴可以結合,而結構裏的蛋白亦可以自由地擴散。

蘇俊表示,這項研究結果首次顯示女性的減數分裂牽涉液—液相分離。因此這個新結構被命名為「液體狀紡錘體結構域」(liquid-like spindle domain, LISD)。

這個影片呈現了小鼠卵子在進行減數分裂的過程。在左方的影片標示了「液體狀減數分裂紡錘體結構域」(綠色)和染色體(紫紅色);而在右方的影片則同時顯示了減數分裂在卵子裡發生的位置。從影片可見「液體狀減數分裂紡錘體結構域」協助分離染色體。

發現這個新結構後,研究人員推測LISD協助控制卵子內紡錘體蛋白的局部濃度,精準地確保卵子有適量的蛋白去形成紡錘體。

研究人員又嘗試干擾LISD以展示LISD對卵子染色體分離的重要性。干擾LISD使紡錘體蛋白在細胞質裏分散,導致紡錘體不能正常形成,結果大部分卵子未能正確分配染色體。

Schuh博士說:「這顯示哺乳類動物的卵子雖然使用與體細胞同樣的蛋白來組裝獨特的減數分裂紡錘體,但卻以非典型的方式來組織這些蛋白。我們有興趣繼續研究LISD會否在人卵子裡受到干擾,繼而導致女性不育。

蘇俊以一級榮譽畢業於香港中文大學細胞與分子生物學的理學學士課程,並以最高榮譽於於德國哥廷根大學取得博士學位。他現於馬克斯.普朗克生物物理化學研究所的減數分裂部門進行博士後研究,繼續與研究所所長Melina Schuh博士合作研發新模型以研究女性生殖發育更早期的過程。蘇俊於2016年取得裘槎博士獎學金,並於2020年取得馬普裘槎博士後獎學金。

延伸閱讀:

  1. 蘇博士在裘槎基金會的個人專頁(只提供英語版本):https://scholars.croucher.org.hk/scholars/chun-so
  2. 蘇博士於2019年刊登在《科學》的研究論文(只提供英語版本):https://science.sciencemag.org/content/364/6447/eaat9557