Science：從受精卵到生命的第一步，我們直到今天才看清

哺乳動物受精卵中雙紡錘體結構

還記得高中生物書對動物有絲分裂過程的描述嗎？在這一過程中，一個名為紡錘體的結構起到牽引、分配染色體的關鍵作用。此前人們始終認為，一個細胞的有絲分裂僅由一個紡錘體控制。然而，一項最新的重磅研究顯示，這一結論在受精卵中並不成立。

今天，在一篇發表於《科學》（Science）期刊的論文中，歐洲分子生物學實驗室的科學家展示了一項顛覆性的發現：在受精卵第一次分裂的過程中，父系和母系染色體竟然是分頭行動的——兩個紡錘體分別控制雙方染色體的分離。這一發現讓我們重新認識受精卵的分裂，也讓我們重新審視對生命開端的定義。

編譯 | 楊心舟

編輯 | 吳非

讓我們首先來回顧生物書中的有絲分裂過程。在生殖過程中，第一步就是精子與卵細胞的結合。在這之後的第一次有絲分裂中，伴隨著核膜崩解，父母的染色體從細胞核中釋放出來，完成第一次會面。

在有絲分裂的過程中，有一個不可或缺的結構——紡錘體。紡錘體由許多細長的微管蛋白集合而成。有絲分裂前期，它們在染色體周圍迅速自發形成雙極紡錘體結構，並在細胞分裂時牽引、分配染色體。可以說，紡錘體的完整性保證了細胞分裂的準確。

通常，一個細胞只含有一個雙極紡錘體。對於胚胎細胞的第一次分裂，在很長一段時間內，科學界同樣認為父母的染色體是由一個紡錘體牽拉、分離至兩個細胞中的。

新成像技術下的重大發現

大約20年前，有科學家在觀察二細胞期胚胎時注意到，父母的染色體分別佔據細胞核內的兩個半月形區。但由於胚胎細胞對光非常敏感，在早期的顯微觀測技術中，它們往往會受到損害。因此，受制於技術手段，當時人們並不知道該如何解釋這種現象。

現在，成像技術的進步讓科學家得以揭示其真相。歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的Jan Ellenberg和Lars Hufnagel團隊開發出最新的成像技術——激光片層掃描顯微系統。這種新方法並不需要給整個區域打光，而可以對激發光區域進行選擇。這樣就顯著降低了光源亮度，讓胚胎細胞第一次分裂的過程首次細緻地展現在研究者面前。

該研究的通訊作者Jan Ellenberg（圖片來源：EMBL）

研究團隊用不同顏色的熒光染料，分別對小鼠受精卵中來自父系及母系的染色體進行標記。結果，人們首次在顯微鏡下觀察到，在哺乳動物受精卵的分裂過程中，父系及母系的染色體是分頭行動的。

研究團隊發現，父系（綠色）、母系（粉色）來源的染色體在第一次有絲分裂是分開的。

仔細觀察發現，分裂過程有兩個紡錘體結構形成。

正確組裝牽引的紡錘體將形成單核細胞。（圖中粉色標示基因組）

錯誤組裝牽引的紡錘體將形成多核細胞。

激光片層掃描顯微系統顯示，父母系染色體被兩個紡錘體牽拉（箭頭所示）

在臨床的試管受精中，經常在受精卵分裂後出現錯誤，導致胚胎髮育失敗。這項研究告訴我們，這種現象很大程度上與雙紡錘體有著極大聯繫。兩個紡錘體分別負責父系母系染色體的牽拉，如果它們在分裂細胞後期沒有及時合併，那麼兩組染色體無法匯合。這一錯誤過程將形成兩個或多個細胞核，從而導致後續胚胎髮育失敗和其他遺傳信息的傳遞錯誤。

哺乳動物受精卵有絲分裂的新舊觀點。（來源：Science）

試管移植新希望？

領導了這項研究的Jan Ellenberg說，「目前已知的雙紡錘體現象一般出現在簡單的生物，例如昆蟲中，但是我們沒有想過這種現象也會出現在以小鼠為例的哺乳動物中。這項發現令人驚訝，也提醒人們要隨時對從未預料的事物的出現做好準備。」

「這個課題的目的，就是為了找出在胚胎細胞首次分裂過程中容易產生錯誤的原因，」Ellenberg說，「針對這些後果，我們在機制上有了新的認知，也可以從這個角度尋找新的分子靶標。當然最重要的，還是要進一步探究這一過程是否同樣適用於人類，因為這可以為疾病的治療提供有意義的信息，比如解決不育問題。」

目前，各國法律對於「生命開始」的定義並不一致，例如德國將受精卵期視作生命的開端，因為此前人們認為這時的父母系基因組已經合併。因此，在臨床做試管移植時，就只能挑選一些受精卵期的細胞移植到孕婦體內。而多核細胞會導致胚胎髮育失敗，給孕婦帶來巨大的健康隱患和後期心理傷害。

如今，這項研究向我們揭示了受精卵期父系母系的基因組並沒有完全合併，因此，今後對生命開始的定義也許需要進行大幅修改了。這一變化使人們能夠在試管移植前挑出多核細胞，極大程度地提升胚胎形成率，保證孕婦的安全。

文中圖片及動圖來自研究論文。

原始論文：

Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos

參考鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/361/6398/128

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2018-07/embl-pck070918.php

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