動物所發現特異調控卵母細胞減數第一次分裂的細胞周期蛋白

減數分裂是哺乳動物產生單倍體配子的重要生理過程。在此過程中，細胞經過一次DNA複製後進行兩次細胞分裂，最終產生單倍體配子。同有絲分裂一樣，減數分裂的精確完成離不開細胞周期蛋白（Cyclins）與細胞周期蛋白依賴性激酶（CDKs）之間的共同調節。Cyclins的周期性降解與合成以及CDKs激酶活性的動態變化，是有絲分裂與減數分裂周而復始的重要物質保障。雖然減數分裂與有絲分裂中的細胞周期蛋白的種類幾乎一致，但是減數分裂中是否存在不同的細胞周期調控機制尚不清楚。

在細胞分裂期，最重要的細胞周期蛋白家族是細胞周期蛋白B家族，該家族成員主要包括Cyclin B1，Cyclin B2，Cyclin B3等。Cyclin B3是一種發現較晚的細胞周期B家族的蛋白，其在哺乳動物中的功能依舊是個未被打開的黑匣子。中國科學院動物研究所研究團隊通過CRISPR技術獲得了Cyclin B3敲除小鼠，發現Cyclin B3在雌性哺乳動物減數分裂中發揮獨特作用。研究發現，Cyclin B3缺失小鼠體型和生理狀態都比較正常，具有完整的卵泡和睾丸發育狀況，但自然交配後雌性小鼠不能產生後代，而雄性小鼠的發育和繁殖能力均正常。進一步分析發現，Cyclin B3缺失的小鼠在超數排卵後具有正常的排卵數量，體外成熟培養過程中GVBD也未見異常，但所有卵母細胞均未排出第一極體，表明Cyclin B3缺失的卵母細胞阻滯於減數第一次分裂。結合體外活細胞動態觀察以及染色體鋪片發現，Cyclin B3缺失的卵母細胞能夠形成正常的紡錘體，但同源染色體未分離，提示Cyclin B3缺失導致卵母細胞特異性阻滯在減數第一次分裂的中期，Cyclin B3在減數第一次分裂的中後期轉換具有不可替代的作用。有意思的是，Cyclin B3缺失的卵母細胞仍然能夠正常受精，並在受精後排出極體並發育為早期囊胚。基因組分析發現Cyclin B3缺失的卵母細胞在受精後啟動了減數第二次分裂，發生了跟有絲分裂相似的姐妹染色單體分離；由於未發生同源染色體分離，所有受精胚胎都是三倍體，進而在著床後致死。上述實驗結果表明，Cyclin B3在小鼠卵母細胞的減數第一次分裂具有特異的必需的調控作用，但對卵母細胞的成熟、減數第二次分裂及早期著床前胚胎髮育是非必需的。進一步機制研究發現，Cyclin B3的缺失導致啟動細胞分裂中後期轉換的重要蛋白——後期促進複合物（APC）活性不足，從而無法進入減數第一次分裂的後期。Cyclin B3與CDK1蛋白存在直接的相互作用。在挽救實驗中，小分子抑製劑抑制CDK1的活性或者干擾Securin基因的表達可以成功恢復Cyclin B3缺失導致的中期阻滯，提示Cyclin B3與CDK1在減數第一次分裂過程中可能具有對中後期轉換或同源染色體分離至關重要的激酶活性。這一研究結果詳細揭示了Cyclin B3對於卵母細胞減數第一次分裂的重要作用並分析了可能的內在分子機制，為探究減數分裂與有絲分裂、雌性與雄性減數分裂在細胞周期調控方面的異同及其調控機制提供了新的思路。

該研究於2月15日在線發表於國際學術刊物Journal of Cell Biology。該研究工作由動物所和中科院幹細胞與再生醫學創新研究院完成。博士後李宇飛、王樂韻、何正泉，博士生張琳琳為該研究的共同第一作者，研究員李偉、周琪、副研究員張映為論文通訊作者。該研究在科技部、基金委、中科院、博士後基金的資助下完成。

圖：Cyclin B3（Ccnb3） 在卵母細胞減數第一次分裂中的重要作用。Ccnb3與細胞周期依賴性激酶1（CDK1）相互作用，對於卵母細胞減數第一次分裂中後期轉換至關重要。Ccnb3的缺失會引起卵母細胞減數第一次分裂過程中後期促進複合物（APC）活性不足，因而無法啟動減數第一次分裂後期（AnaI），導致減數第一次分裂中期（MetI）長期阻滯。這一阻滯能夠被Ccnb3的回補、CDK1活性的抑制以及Securin的干擾所挽救，伴隨著重新啟動AnaI，發生同源染色體分離並排出第一極體（PB1）。氯化鍶（SrCl2）激活或單精子胞質注射（ICSI）阻滯的卵母細胞後，卵母細胞能夠繞過AnaI進行減數第二次分裂，發生姐妹染色單體分離並排出第二極體（PB2）。MetII：減數第二次分裂中期；AnaII：減數第二次分裂後期。

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