女性的生育能力在35歲左右開始逐漸下降，35歲以后的下降速度會明顯加快，這稱之為女性生育力的“斷崖式下跌”。其中一個重要表現(xiàn)就是卵子質(zhì)量的下降速度加快，非整倍體的風(fēng)險增加。

正常情況下，卵子內(nèi)包含23條染色體，即22條常染色體和1條性染色體。非整倍體卵子則出現(xiàn)了染色體條數(shù)的多余或缺失，比如22條或24條染色體等。卵子染色體條數(shù)的異常與否取決于減數(shù)分裂時染色體是否正確分離。

哺乳動物減數(shù)分裂時，微管和肌動蛋白絲組成紡錘體將染色體分開。在卵母細胞減數(shù)分裂I期間，需要在實現(xiàn)同源染色體分離的同時，不破壞姐妹染色單體的連接。這依賴于姐妹染色單體之間著絲粒內(nèi)聚力對于微管拉力的有效抵抗。著絲粒內(nèi)聚力的損失則會導(dǎo)致姐妹染色單體的過早分離，并增加它們錯誤分離的風(fēng)險。

黏連蛋白是一種多亞基蛋白復(fù)合物，連接著姐妹染色單體的染色體臂和著絲粒，是著絲粒內(nèi)聚力的來源之一。由于女性生殖衰老的過程與卵母細胞中黏連蛋白的逐漸耗竭有關(guān)，過去的研究認為，過早的黏連喪失是造成卵子非整倍體的主要原因。

然而，這種進行性的黏連蛋白丟失，并不能充分解釋女性在生育年齡即將結(jié)束時觀察到的卵子非整倍體的指數(shù)級增加。鑒于肌動蛋白絲也是哺乳動物減數(shù)分裂過程中參與染色體分離機制的重要成分，英國布里斯托爾大學(xué)的研究人員試圖探明，能否從肌動蛋白出現(xiàn)功能障礙的角度，解釋女性生育力“斷崖式下跌”的現(xiàn)象。2023年1月20日，相關(guān)研究結(jié)果以“Actin limits egg aneuploidies associated with female reproductive aging”為題發(fā)表于Science Advances。

圖1 研究成果（圖源：[1]）

研究發(fā)現(xiàn)：

比較生殖年輕（6至12周齡）和生殖衰老（58至62周齡）小鼠卵母細胞中的肌動蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，大齡卵細胞中紡錘體肌動蛋白數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)混亂。不過，細胞質(zhì)肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)密度沒有差異，這表明肌動蛋白的破壞是局限于減數(shù)分裂紡錘體的。另外，大齡卵母細胞中紡錘體微管含量并未減少，說明這也不是肌動蛋白遭到破壞的原因。

圖2 紡錘體肌動蛋白和微管在年輕和大齡卵母細胞中被標記（圖源：[1]）

使用細胞松弛素D破壞卵母細胞中的肌動蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在21個大齡（35至39周齡）卵母細胞中有17個都發(fā)生了多次（≥2次）染色單體的過早分離，而二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）處理對照組中，26個大齡卵細胞中發(fā)生多次染色單體過早分離的數(shù)量為10個。這表明肌動蛋白的破壞嚴重加劇了大齡卵母細胞中染色單體的過早分離。

圖3 免疫熒光圖像顯示著絲粒分離情況（圖源：[1]）

與大齡卵母細胞類似，使用細胞松弛素D破壞肌動蛋白，使得年輕卵母細胞發(fā)生多次染色單體過早分離的概率從對照組的2/20上升到了12/25。使用另一種機制的肌動蛋白破壞化合物latrunculin B也能復(fù)現(xiàn)類似的結(jié)果。

由于著絲粒的內(nèi)聚力需要對抗微管拉力，內(nèi)聚力的下降理應(yīng)導(dǎo)致姐妹著絲粒之間的間距更寬。但結(jié)果并未顯示差異，這可能是由于未將已經(jīng)發(fā)生分離的著絲粒對納入考量，而肌動蛋白的破壞只會使一部分染色單體過早分離。

另外，通過測量黏連蛋白中關(guān)鍵亞基Rec8的熒光強度，研究人員確認了破壞肌動蛋白并不會導(dǎo)致黏連蛋白受損。這表明，肌動蛋白破壞導(dǎo)致的染色單體過早分離，與之前研究中基于黏連蛋白丟失的機制是不同的。

研究人員使用TRIM-Away方法部分降解了黏連蛋白的關(guān)鍵亞基Rec8，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Rec8的部分降解導(dǎo)致姐妹染色單體在3小時的觀察時間內(nèi)逐漸分離（DMSO處理），但如果在此基礎(chǔ)上使用細胞松弛素D處理，則將使染色單體分離加速并導(dǎo)致持續(xù)擴散。這表明，肌動蛋白破壞是在著絲粒內(nèi)聚力丟失的前提下“雪上加霜”，加劇了染色單體分離。

此外，在正常卵母細胞中，經(jīng)常會發(fā)生錯位的染色單體被“校正”回正確位置的事件，然而，當肌動蛋白遭到破壞，這類事件的發(fā)生率同樣下降了。這表明了肌動蛋白在阻止卵細胞非整倍體發(fā)生中的雙重角色：1）阻止染色單體過早分離；2）促進錯位的染色單體進行重排。

研究人員在年輕卵母細胞中添加高濃度的肌動蛋白熒光標記物來幫助穩(wěn)定細胞中的肌動蛋白。隨后，使用TRIM-Away方法完全降解了黏連蛋白。結(jié)果顯示，相較于使用DMSO處理的對照組，添加了高濃度肌動蛋白熒光標記物的卵母細胞中，姐妹染色單體不再出現(xiàn)廣泛的分離和分散，而是大部分保持在紡錘體赤道附近。這說明著絲粒內(nèi)聚力丟失的情形下，肌動蛋白的穩(wěn)定能夠阻止染色單體過早分離。

圖4 肌動蛋白的穩(wěn)定阻止染色單體過早分離（圖源：[1]）

該研究證明了紡錘體肌動蛋白在女性生殖衰老中扮演的關(guān)鍵角色。下一步的研究方向?qū)⑹翘剿骷拥鞍纂S生殖年齡增長而丟失背后的分子機制，以及探索重新引入這些紡錘體肌動蛋白的組裝蛋白能否幫助內(nèi)聚力不足的卵母細胞正確分離染色單體。此外，肌動蛋白也在有絲分裂中幫助姐妹染色單體正確分離，因此，該研究可能對于探索非生殖細胞的衰老也具有參考意義。