Science:揭示卵母細胞的中心體不會遺傳給後代之謎

四細胞胚胎，圖片來自Zernicka-Goetz Lab, University of Cambridge。

2016年7月5日/生物谷BIOON/--在精子讓卵子受精後，一些細胞器是不對稱遺傳的，比如線粒體，它是由母體提供的，而父本精子中的線粒體會在受精後發生自我降解（詳情參見生物谷新聞：史上首次！揭示為何父本線粒體在受精後不會遺傳給後代）。

另一種被稱作中心體的細胞器是動物細胞中的主要微管組織中心（major microtubule-organizing center, MTOC），是由兩個非常穩定的微管圓柱體組成的：中心粒和中心粒外周蛋白基質（PCM）。PCM是中心粒的生物發生所必不可少的，而且在微管成核（microtubule nucleation.）中發揮著重要作用。中心粒在纖毛和中心粒組裝中發揮著至關重要的作用。

在活躍分裂的細胞中，中心粒和中心體的數量受到嚴格控制：中心粒複製與DNA複製偶聯在一起，以至於在有絲分裂期間，一個中心體含有兩個中心粒，在有絲分裂紡錘體的每個極上有一個中心粒，從而確保染色體準確地分離。

令人吃驚的是，在大多數後生動物（metazoan）物種中，卵母細胞的中心粒（即母本中心粒）被清除了，受精卵依賴精子提供的中心粒（即父本中心粒），這個中心粒組裝成受精卵中的首個中心體，從而確保有絲分裂正確進行和胚胎發育成功開展。在發育期間，卵母細胞中的中心粒清除被認為確保受精後的中心粒數目正確和有絲分裂成功完成，並且阻止孤雌生殖發生。

考慮到中心粒被認為是非常穩定的結構，卵母細胞的中心粒消失背後的機制一直是不清楚的。

在一項新的研究中，A. Pimenta-Marques等人以果蠅為研究對象，發現果蠅卵母細胞從它們附近的撫育細胞（nurse cell）中獲得所有的中心體，這些中心體形成一個大的微管組織中心。他們分析了卵子發生過程中的多種標誌物，發現母本中心體清除是逐步發生的：首先，中心體丟失PCM組分，隨後在卵子發生最後階段在減數分裂發生之前，中心粒才消失。

鑑於Polo激酶（Polo kinase）是一種主要的PCM招募因子，研究人員隨後研究了這種蛋白在卵母細胞的微管組織中心內所發揮的調節性作用。他們發現在卵子發生期間，當PCM組分丟失時，Polo激酶下調表達。基於此，他們猜測Polo激酶在PCM維持中發揮著重要作用，以及PCM阻止中心粒清除。

為了驗證這種猜測，研究人員在體外培養的停留在S期的果蠅細胞（在S期，中心粒含量保持恆定）中剔除了Polo激酶、PCM或者將兩者同時剔除。在這三種情形下，他們觀察到中心粒丟失。再者，在卵子發生期間，剔除Polo激酶會誘導中心粒提前清除。

幹擾這種程序會阻止中心粒丟失，導致異常的減數分裂和有絲分裂，因而導致雌性不孕。這一機制挑戰了中心粒具有內在穩定性結構的現有觀點，揭示出Polo激酶和PCM在中心粒維持中的一般功能。

研究人員指出調節這種維持程序是成功的有性繁殖所必需的，決定了不同組織處於體內平衡時和患病時的中心粒壽命，因而對細胞骨架產生影響。

相關研究結果發表在2016年7月1日那期Science期刊上，論文標題為「A mechanism for the elimination of the female gamete centrosome in Drosophila melanogaster」。（生物谷 Bioon.com）

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A mechanism for the elimination of the female gamete centrosome in Drosophila melanogaster

A. Pimenta-Marques*,†, I. Bento*,†,‡, C. A. M. Lopes, P. Duarte, S. C. Jana, M. Bettencourt-Dias

doi:10.1126/science.aaf4866
PMC:
PMID:

An important feature of fertilization is the asymmetric inheritance of centrioles. In most species it is the sperm that contributes the initial centriole, which builds the first centrosome that is essential for early development. However, given that centrioles are thought to be exceptionally stable structures, the mechanism behind centriole disappearance in the female germ line remains elusive and paradoxical. We elucidated a program for centriole maintenance in fruit flies, led by Polo kinase and the pericentriolar matrix (PCM): The PCM is down-regulated in the female germ line during oogenesis, which results in centriole loss. Perturbing this program prevents centriole loss, leading to abnormal meiotic and mitotic divisions, and thus to female sterility. This mechanism challenges the view that centrioles are intrinsically stable structures and reveals general functions for Polo kinase and the PCM in centriole maintenance. We propose that regulation of this maintenance program is essential for successful sexual reproduction and defines centriole life span in different tissues in homeostasis and disease, thereby shaping the cytoskeleton.