女性的生育能力在35岁左右开始逐渐下降，35岁以后的下降速度会明显加快，这称之为女性生育力的“断崖式下跌”。其中一个重要表现就是卵子质量的下降速度加快，非整倍体的风险增加。
正常情况下，卵子内包含23条染色体，即22条常染色体和1条性染色体。非整倍体卵子则出现了染色体条数的多余或缺失，比如22条或24条染色体等。卵子染色体条数的异常与否取决于减数分裂时染色体是否正确分离。
哺乳动物减数分裂时，微管和肌动蛋白丝组成纺锤体将染色体分开。在卵母细胞减数分裂I期间，需要在实现同源染色体分离的同时，不破坏姐妹染色单体的连接。这依赖于姐妹染色单体之间着丝粒内聚力对于微管拉力的有效抵抗。着丝粒内聚力的损失则会导致姐妹染色单体的过早分离，并增加它们错误分离的风险。
黏连蛋白是一种多亚基蛋白复合物，连接着姐妹染色单体的染色体臂和着丝粒，是着丝粒内聚力的来源之一。由于女性生殖衰老的过程与卵母细胞中黏连蛋白的逐渐耗竭有关，过去的研究认为，过早的黏连丧失是造成卵子非整倍体的主要原因。
然而，这种进行性的黏连蛋白丢失，并不能充分解释女性在生育年龄即将结束时观察到的卵子非整倍体的指数级增加。鉴于肌动蛋白丝也是哺乳动物减数分裂过程中参与染色体分离机制的重要成分，英国布里斯托尔大学的研究人员试图探明，能否从肌动蛋白出现功能障碍的角度，解释女性生育力“断崖式下跌”的现象。2023年1月20日，相关研究结果以“Actin limits egg aneuploidies associated with female reproductive aging”为题发表于Science Advances。
图1 研究成果（图源：[1]）
研究发现：
01
生殖衰老伴随纺锤体肌动蛋白的破坏
比较生殖年轻（6至12周龄）和生殖衰老（58至62周龄）小鼠卵母细胞中的肌动蛋白结构发现，大龄卵细胞中纺锤体肌动蛋白数量减少，结构混乱。不过，细胞质肌动蛋白网络密度没有差异，这表明肌动蛋白的破坏是局限于减数分裂纺锤体的。另外，大龄卵母细胞中纺锤体微管含量并未减少，说明这也不是肌动蛋白遭到破坏的原因。
图2 纺锤体肌动蛋白和微管在年轻和大龄卵母细胞中被标记（图源：[1]）
02
肌动蛋白破坏加剧大龄卵母细胞中姐妹染色单体过早分离
使用细胞松弛素D破坏卵母细胞中的肌动蛋白，结果发现，在21个大龄（35至39周龄）卵母细胞中有17个都发生了多次（≥2次）染色单体的过早分离，而二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）处理对照组中，26个大龄卵细胞中发生多次染色单体过早分离的数量为10个。这表明肌动蛋白的破坏严重加剧了大龄卵母细胞中染色单体的过早分离。
图3 免疫荧光图像显示着丝粒分离情况（图源：[1]）
03
年轻卵母细胞中肌动蛋白破坏可引起类似的染色单体分离
与大龄卵母细胞类似，使用细胞松弛素D破坏肌动蛋白，使得年轻卵母细胞发生多次染色单体过早分离的概率从对照组的2/20上升到了12/25。使用另一种机制的肌动蛋白破坏化合物latrunculin B也能复现类似的结果。
由于着丝粒的内聚力需要对抗微管拉力，内聚力的下降理应导致姐妹着丝粒之间的间距更宽。但结果并未显示差异，这可能是由于未将已经发生分离的着丝粒对纳入考量，而肌动蛋白的破坏只会使一部分染色单体过早分离。
另外，通过测量黏连蛋白中关键亚基Rec8的荧光强度，研究人员确认了破坏肌动蛋白并不会导致黏连蛋白受损。这表明，肌动蛋白破坏导致的染色单体过早分离，与之前研究中基于黏连蛋白丢失的机制是不同的。
04
在着丝粒内聚力丢失的情形下，肌动蛋白破坏加速了染色单体的过早分离
研究人员使用TRIM-Away方法部分降解了黏连蛋白的关键亚基Rec8，结果发现，Rec8的部分降解导致姐妹染色单体在3小时的观察时间内逐渐分离（DMSO处理），但如果在此基础上使用细胞松弛素D处理，则将使染色单体分离加速并导致持续扩散。这表明，肌动蛋白破坏是在着丝粒内聚力丢失的前提下“雪上加霜”，加剧了染色单体分离。
此外，在正常卵母细胞中，经常会发生错位的染色单体被“校正”回正确位置的事件，然而，当肌动蛋白遭到破坏，这类事件的发生率同样下降了。这表明了肌动蛋白在阻止卵细胞非整倍体发生中的双重角色：1）阻止染色单体过早分离；2）促进错位的染色单体进行重排。
05
在着丝粒内聚力丢失的情形下，肌动蛋白的稳定阻止了染色单体的过早分离
研究人员在年轻卵母细胞中添加高浓度的肌动蛋白荧光标记物来帮助稳定细胞中的肌动蛋白。随后，使用TRIM-Away方法完全降解了黏连蛋白。结果显示，相较于使用DMSO处理的对照组，添加了高浓度肌动蛋白荧光标记物的卵母细胞中，姐妹染色单体不再出现广泛的分离和分散，而是大部分保持在纺锤体赤道附近。这说明着丝粒内聚力丢失的情形下，肌动蛋白的稳定能够阻止染色单体过早分离。
图4 肌动蛋白的稳定阻止染色单体过早分离（图源：[1]）
该研究证明了纺锤体肌动蛋白在女性生殖衰老中扮演的关键角色。下一步的研究方向将是探索肌动蛋白随生殖年龄增长而丢失背后的分子机制，以及探索重新引入这些纺锤体肌动蛋白的组装蛋白能否帮助内聚力不足的卵母细胞正确分离染色单体。此外，肌动蛋白也在有丝分裂中帮助姐妹染色单体正确分离，因此，该研究可能对于探索非生殖细胞的衰老也具有参考意义。
参考资料：
[1]Dunkley S, Mogessie B. Actin limits egg aneuploidies associated with female reproductive aging. Sci Adv. 2023 Jan 20;9(3):eadc9161. doi: 10.1126/sciadv.adc9161.
