​Nat Comm | 纺锤体迁移启动的新机制

来源：BioArt

责编 | 酶美

哺乳动物卵母细胞成熟是一个复杂且高度精细的生理过程，且该成熟过程需要进行两次连续的不对称分裂，在第一次减数分裂过程中，纺锤体在卵母细胞中央形成，随后迁移到皮质层，并诱导皮质层肌动蛋白富集区域（actomyosin-rich cortical domain）的形成，同源染色体分离，卵母细胞排出第一极体，这一过程保证了母源性物质的保留，并为受精和早期胚胎发育提供了重要的物质基础【1】。研究发现，纺锤体向卵母细胞皮质层迁移与有丝分裂不同，不依赖于微管，而主要靠微丝聚核因子Formin2 (FMN2)启动纺锤体迁移【2, 3】，但启动机制一直未被发现。

2020年1月14日，美国约翰霍普金斯大学医学院Rong Li教授课题组在Nature Communications杂志上发表文章Dynamic organelle distribution initiates actin-based spindle migration in mouse oocytes，该工作揭示了卵母细胞减数分裂过程中细胞器（线粒体和内质网）的动态分布与FMN2协同作用启动纺锤体迁移。

为探究FMN2在纺锤体迁移启动过程中的作用，研究人员首先对FMN2结构域分析及实验验证发现，定位于纺锤体周围的FMN2(FMN2SLD)对纺锤体的迁移起着重要作用。随后，研究人员利用透射电镜发现在内质网的表面有微丝束形成，并能延伸至纺锤体周围的线粒体（图一）。 

（图一：内质网和线粒体透射电镜结构。红色：内质网；紫色：线粒体；绿色：微丝束）

研究人员通过活细胞工作站观察发现，在纺锤体迁移之前，线粒体和内质网均匀分布在纺锤体周围，与电镜试验结果相吻合。但随着纺锤体的迁移，线粒体逐渐从均匀分布变成无序分布，并大量聚集在纺锤体一端（图二）。

（图二：纺锤体迁移过程中线粒体和内质网的动态分布。红色：内质网；绿色：线粒体）

基于透射电镜和活细胞试验结果，研究人员推测FMN2SLD成核的微丝在碰触到线粒体后，线粒体通过微丝形成反向推力作用于纺锤体。当线粒体不对称分布后，纺锤体受到线粒体不平衡的推力，随之启动迁移。为验证推测，研究人员首先利用数学模型模拟线粒体和微丝之间的作用过程，发现线粒体在纺锤体周围的聚集和动态分布与FMN2SLD成核的微丝对纺锤体迁移具有重要作用。试验验证发现，敲低Drp1或过表达Mitofusin1抑制线粒体分裂后，纺锤体迁移失败；此外，通过抑制Myosin Vb减少纺锤体周围线粒体数量，纺锤体也迁移失败。以上结果表明，线粒体分裂、融合及纺锤体周围线粒体的数量对纺锤体迁移的启动发挥关键作用；随后，研究人员利用光遗传学（optogenetic experiments）试验发现，纺锤体迁移方向随微丝聚集而变化（图三），这一结果直接证明FMN2成核的微丝推动纺锤体迁移。

（图三：不对称分布的F-actin调控纺锤体迁移的方向）

综上所述，该研究利用活细胞工作站、光遗传学试验、数学模型模拟等技术分别在细胞生物学和细胞-分子生物力学等层面详细阐述了卵母细胞减数分裂过程中细胞器（线粒体和内质网）的动态分布与FMN2成核微丝协同作用启动纺锤体迁移的机制。纺锤体迁移的启动是一个作用于纺锤体上力的正反馈回路，并依赖于线粒体在纺锤体周围的聚集和动态分布。该研究加深了人们对卵母细胞不均等分裂调控机制的认识，为研究线粒体功能受损引起卵子质量下降的原因提供新的思路，并为未来提高卵母细胞质量提供重要理论基础。

美国约翰霍普金斯大学医学院段星博士为本文的第一作者，Rong Li 教授为本文的通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-14068-3

制版人：小娴子

参考文献

1. Clift D, Schuh M. Restartinglife: fertilization and the transition from meiosis to mitosis. Nat Rev MolCell Biol. 2013; 14: 549-562.

2. Yi K, Rubinstein B, Unruh JR, Guo F, Slaughter BD, Li R. Sequentialactin-based pushing forces drive meiosis I chromosome migration and symmetrybreaking in oocytes. J Cell Biol. 2013; 200: 567-576.

3. Pfender S, Kuznetsov V, PleiserS, Kerkhoff E, Schuh M. Spire-type actin nucleators cooperate with Formin-2 todrive asymmetric oocyte division. Curr Biol. 2011; 21: 955-960.