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生命学院孟安明课题组发现小鼠胚胎第二极体建立细胞命运不对称性

2022-01-15 10:28:11

人类和哺乳动物周期性地排卵,排出的卵子体积很大,它继承了卵母细胞的绝大部分细胞质和一个保留了2套染色体的细胞核;同时,还排出一个与卵子相连的体积很小的第一极体(PB1),第一极体仅含极少量的细胞质,但也有一个含2套染色体的细胞核,第一极体很快就凋亡。当一个精子的细胞核(雄原核,含有1套染色体)进入卵子后,卵子排出一个极小的、含1套染色体的细胞(第二极体PB2),因而卵子的核(雌原核)只剩下1套染色体(与第二极体的完全相同),雄原核与雌原核融合成为一个新的含2套染色体的合子核(见视频),合子(受精卵)进入胚胎发育阶段。小鼠上,第二极体可以存活3天左右。前人在小鼠上的研究发现,去除受精卵的第二极体后,胚胎发育到胚泡期时,胚泡的形态和细胞数量没有变化,因而普遍认为哺乳动物第二极体对于胚胎发育无用,其排出只是起到去除1套多余染色体的作用,在临床辅助生殖中将极体取出用于胚胎植入前的遗传学诊断。

孟安明院士团队在小鼠模型上的研究发现,第二极体含有RNA 聚合酶II 和核糖体等参与基因转录和mRNA翻译的组分。在1细胞晚期,第二极体像受精卵一样开始基因转录;从1细胞期到2细胞期,可以检测到第二极体中新合成的蛋白。在1细胞早期,蛋白质和小RNA 可以在第二极体和受精卵之间双向运输。通过油滴标记,可以发现受精卵第一次卵裂刚刚开始出现卵裂勾时,第二极体仅与一个卵裂球相连,该卵裂球被定义为pbB,而不与第二极体相连的卵裂球定义为npbB。通过细胞命运追踪发现,到胚泡阶段,pbBnpbB的后代细胞之间一般不发生穿插混杂,pbB的后代细胞对内细胞团(ICM,用于形成胚体的前体细胞)的贡献大于npbB。在1细胞中期去除第二极体,形成的胚泡的细胞总数和形态与对照没有明显的区别,但pbBnbpBICM的贡献大致相当,胚泡的着床率显著下降,能够着床并发育到9.5天时的胚胎明显缩小、且不能活到出生,这些异常可以通过向2细胞期的pbB中注射第二极体的抽提液而得到克服。当用微管抑制剂nocodazole短时间处理受精卵以破坏极体与受精卵的连接通道,也可观察到类似1细胞期去第二极体的效果。他们还发现第二极体中富集了一些与细胞多能性相关的基因的mRNAWnt7A,给1细胞期去第二极体后的2细胞期胚胎的pbB注射Wnt7A mRNA后,胚泡细胞命运的缺陷可以得到挽救,但着床后的发育仍然异常。如果在2细胞期去除第二极体,着床前细胞命运和着床后的发育似乎都不受影响。这些结果表明,小鼠的第二极体很可能参与调控着床前细胞的命运决定和着床后胚胎的发育(见图)。尽管目前并不清楚人类受精卵的第二极体是否有相似功能,但临床上取第二极体做遗传学诊断时,应考虑等到2细胞期时取样。


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a. 正常小鼠受精卵的第二极体(PB2)中由mRNA翻译出的蛋白可以转运到合子中,很可能形成浓度梯度,从而导致两个子细胞得到的蛋白量不同,产生发育命运的差异,其中pbB的后代细胞对ICM的贡献更大,在子宫着床后可正常发育并出生。b. 去除PB2后,2细胞期的pbBnpbB获得相同的发育命运,胚泡可能不能着床、着床后死亡、或发育迟缓并不能出生。


该成果首次发现了哺乳动物受精卵的第二极体具有重要的生物学功能,但其发挥功能的分子机制还有待进一步研究。

该成果于2022110日,以“小鼠胚胎第二极体建立胚胎细胞命运的不对称性(The second polar body contributes to the fate asymmetry in the mouse embryo)”为题,在线发表于National Science Review,银河国际app手机版下载 - 最新版APP Store博士生金弘彬和韩阳为共同第一作者,孟安明院士为论文通讯作者。


论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwac003