卵母細(xì)胞非整倍性改變的研究進(jìn)展

楊佳怡，李越 ，班利榮，張娜，李靜，張巖

染色體非整倍性改變最早是由Gunnar T?ckholm在1922年提出的，是指體細(xì)胞中染色體數(shù)目增加或減少一條到數(shù)條，結(jié)果形成非整倍體［1］。在正常有性生殖過(guò)程中，每個(gè)胚胎分別從父親和母親那里繼承 22 條常染色體和1條性染色體，形成具有22對(duì)常染色體和1對(duì)性染色體的正常胎兒，而非整倍體是指繼承了太多或太少的任何染色體，這是臨床上最常見(jiàn)的染色體畸變類(lèi)型。如果胎兒僅從父親或者母親一方繼承了一個(gè)拷貝的常染色體，我們稱之為常染色體單體，這樣的胎兒會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的異常并在臨床確認(rèn)懷孕前死亡；如果胎兒多繼承一個(gè)常染色體，我們稱之為常染色體三體，這個(gè)額外拷貝也與嚴(yán)重的發(fā)育異常有關(guān)，約占所有流產(chǎn)的三分之一；如果胎兒少繼承或者多繼承了性染色體，會(huì)造成性發(fā)育異常，包括性腺或者第二性征異常，我們稱之為性染色體非整倍體。相對(duì)于少一條常染色體的致命打擊，多一條常染色體和性染色體的變化對(duì)機(jī)體造成的損傷略柔和一些，因此我們?cè)谂R床上能夠看到有常染色體三體和性染色體非整倍體的胎兒活著出生。21號(hào)染色體三體就是唐氏綜合征的病因，也是迄今為止影響活產(chǎn)胎兒的最常見(jiàn)的非整倍性改變。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致衰老卵母細(xì)胞非整倍體的許多可能原因，例如不令人滿意的交叉形成、黏連蛋白丟失、紡錘體組裝缺陷、紡錘體組裝檢查點(diǎn)故障、微管-動(dòng)粒附著失敗、動(dòng)粒定向錯(cuò)誤、DNA 損傷等方面［2-3］。然而，這些非整倍體化因素是否存在內(nèi)在關(guān)系，以及如何防止老年卵母細(xì)胞發(fā)生非整倍體化等問(wèn)題仍需解答。在這篇綜述中，我們總結(jié)了卵子發(fā)生的特點(diǎn)，卵母細(xì)胞非整倍體的研究進(jìn)展等，并提出了卵母細(xì)胞非整倍體的綜合觀點(diǎn)。

1 卵母細(xì)胞發(fā)育概述

哺乳動(dòng)物的卵子發(fā)生始于卵母細(xì)胞從胎兒卵巢中的原始生殖細(xì)胞的分化。雌性小鼠的生殖細(xì)胞在胚胎期12.5 d和13.5 d之間通過(guò)雌性途徑分化為卵母細(xì)胞，此過(guò)程通常還伴有從有絲分裂到減數(shù)分裂的轉(zhuǎn)變［4］。啟動(dòng)減數(shù)分裂的卵母細(xì)胞包含每條染色體的兩個(gè)同源拷貝，每個(gè)染色體在減數(shù)分裂 S期復(fù)制形成兩個(gè)姐妹染色單體，并通過(guò)姐妹染色單體凝聚在一起。在減數(shù)分裂 S 期后，卵母細(xì)胞進(jìn)入第一次減數(shù)分裂的細(xì)線期，并通過(guò)產(chǎn)生 DNA 雙鏈斷裂 （DNA double-strand break，DSB） 來(lái)啟動(dòng)減數(shù)分裂重組，這些 DNA 雙鏈斷裂招募修復(fù)蛋白形成重組灶［5］。在偶線期和粗線期，重組灶成熟，并招募一系列促進(jìn)重組中間體分解為交叉交換或非交叉交換的因素［5］。非交叉交換僅獲得短片段的同源序列，用作修復(fù) DNA 損傷的模板，而交叉交換在交叉位點(diǎn)遠(yuǎn)端的同源染色單體之間交換染色單體臂。這些交叉可能會(huì)起到兩個(gè)作用：（1）增加種群的遺傳多樣性；（2）若聯(lián)會(huì)復(fù)合體在雙線期中分解，能夠提供將同源染色體保持在一起的物理連接［6］。在出生前后，發(fā)育中的卵母細(xì)胞停滯在交叉口處，將同源染色體保持在一起作為一個(gè)二價(jià)體單元。在這種長(zhǎng)時(shí)間的停滯期間（在人類(lèi)中持續(xù)數(shù)十年），交叉體由姐妹染色單體之間的內(nèi)聚力維持，尤其是交叉口遠(yuǎn)端染色體臂上的內(nèi)聚力［6］。

當(dāng)女孩性成熟后，在月經(jīng)周期中，激素的刺激會(huì)誘導(dǎo)成組的優(yōu)勢(shì)卵母細(xì)胞生長(zhǎng)、成熟，最終恢復(fù)減數(shù)分裂并進(jìn)展到中期Ⅰ。同源染色體之間的這些物理連接，結(jié)合姐妹染色單體的著絲粒的單向度，使得來(lái)自每個(gè)同源染色體的著絲粒連接到相反的紡錘體極時(shí)產(chǎn)生張力［6］。當(dāng)卵母細(xì)胞由中期Ⅰ到后期Ⅰ轉(zhuǎn)變時(shí)，染色體臂上的姐妹染色單體凝聚力被釋放，使交叉溶解，同源染色體分離到相反的紡錘體極，而姊妹染色單體在著絲粒上的凝聚力在這一點(diǎn)被保留，并將兩個(gè)姊妹染色單體連接在一起［7］。當(dāng)卵母細(xì)胞進(jìn)入MⅡ時(shí)，每一對(duì)姐妹染色單體在中期Ⅱ紡錘體上與姐妹著絲粒雙定向到相反的紡錘體極。然后，卵母細(xì)胞在中期Ⅱ停止活動(dòng)，通常在受精后完成減數(shù)分裂，移除著絲粒凝聚力，使姐妹染色單體分離并分開(kāi)到相反的紡錘體極［7］。卵母細(xì)胞的兩次減數(shù)分裂都是不對(duì)稱的，并將一組染色體擠出到小的極體中，在著床前發(fā)育過(guò)程中這些極體會(huì)退化，而在較大的、發(fā)育能力較強(qiáng)的卵母細(xì)胞中保留一組單倍染色體。因此，在卵母細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，姊妹染色單體之間產(chǎn)生并維持的內(nèi)聚性和同源體之間的交叉是防止非整倍體傳遞給下一代的關(guān)鍵。

2 母親年齡與染色體非整倍性改變

隨著年齡的增長(zhǎng)，女性的懷孕能力逐漸喪失，不孕癥大多數(shù)發(fā)生在35～45歲，減數(shù)分裂中染色體分離錯(cuò)誤在這個(gè)年齡窗也急劇增加［8］。在達(dá)到臨床識(shí)別的自然受孕中，35%的人類(lèi)妊娠是非整倍體；在著床前胚胎中觀察到的比率要高得多，部分原因是非整倍體胚胎發(fā)育潛力差，在著床周階段和懷孕過(guò)程中被選擇［9］。35歲婦女的卵母細(xì)胞中有20%的非整倍體，而43歲以上婦女的卵母細(xì)胞中有近60%的非整倍體，母親年齡是影響非整倍體的主要因素，并產(chǎn)生了特征性的J曲線，自然妊娠中三體性發(fā)病率在最年輕的母親年齡略有增加，在更年期前的十年呈指數(shù)增長(zhǎng)［9］。非整倍體的J型曲線是三種不同錯(cuò)誤類(lèi)型的組合：（1）減數(shù)分裂Ⅰ不分離，即整條染色體的增加或減少；（2）姊妹染色單體的提前分離，在減數(shù)分裂Ⅰ時(shí)同源染色體中的一個(gè)姐妹染色單體提前分離；（3）反向分離，兩條同源染色體同時(shí)在減數(shù)分裂Ⅰ將姐妹染色單體分離［8］。唐氏綜合征病人的基因分型表明，大約四分之三的母源性病例是由同源染色體的錯(cuò)誤分離引起的，四分之一是由姐妹染色單體的錯(cuò)誤分離引起的［8］。這與大量細(xì)胞學(xué)數(shù)據(jù)一致，表明高齡女性人類(lèi)卵母細(xì)胞中最普遍的染色體錯(cuò)誤分離事件涉及MⅠ 期間姐妹染色單體的過(guò)早分離［8］。

對(duì)接受輔助生殖手術(shù)的女性卵子的早期研究表明，姐妹著絲粒的過(guò)早分離是人類(lèi)非整倍體發(fā)育的主要機(jī)制［10］。最近提出的兩次打擊模型表明，MⅠ 期間的分離錯(cuò)誤是由在胎兒階段產(chǎn)生易感交叉配置的第一次打擊和包括年齡相關(guān)的染色體凝聚力在減數(shù)分裂前期阻滯期降低的第二次打擊的組合引起的［11］。二價(jià)體的完整性對(duì)精確的染色體分離至關(guān)重要，然而，最近對(duì)人類(lèi)卵母細(xì)胞的研究表明，在老年婦女卵母細(xì)胞中二價(jià)體的結(jié)構(gòu)趨于瓦解［12］。在小鼠和人類(lèi)中，二價(jià)體隨著年齡增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)兩種主要的結(jié)構(gòu)缺陷。首先，姐妹著絲粒分離的距離很大，這與姐妹著絲粒與減數(shù)分裂紡錘體不協(xié)調(diào)且常常錯(cuò)誤地連接有關(guān)；其次，來(lái)自老年卵母細(xì)胞的二價(jià)體更容易分裂成單獨(dú)的染色體，稱為單價(jià)體，一對(duì)單價(jià)體可以以不協(xié)調(diào)的方式分離，也可能導(dǎo)致非整倍性［2］。單價(jià)體的著絲粒強(qiáng)烈偏向于雙極微管附著，由于同源染色體的著絲粒之間的張力損失，單極微管與姐妹染色單體的著絲粒的連接無(wú)法穩(wěn)定，而雙極連接可以通過(guò)姐妹染色染色單體著絲粒之間的張力穩(wěn)定；另外，與年齡相關(guān)的姐妹染色染色單體著絲粒的內(nèi)聚力的喪失可能會(huì)破壞 MⅠ特定的姐妹染色染色單體著絲粒幾何結(jié)構(gòu)［12］。綜合這些發(fā)現(xiàn)，我們認(rèn)為在人類(lèi)卵母細(xì)胞 MⅠ 期間，二價(jià)體過(guò)早分離為單價(jià)體是導(dǎo)致年齡相關(guān)分離錯(cuò)誤的主要原因。

3 減數(shù)分裂過(guò)程中的性別特異性差異

如上所述，對(duì)臨床認(rèn)可的妊娠的研究表明，大多數(shù)人類(lèi)非整倍體是母系來(lái)源的這就引出了一個(gè)問(wèn)題：為什么女性減數(shù)分裂如此容易出錯(cuò)？Hunt、Hassold［13］認(rèn)為男性的粗線期檢查點(diǎn)機(jī)制較女性更為嚴(yán)格，減數(shù)分裂期間性染色體活性的差異可能是兩性差異的基礎(chǔ)。在小鼠中，減數(shù)分裂前期的聯(lián)會(huì)缺陷在雄性中幾乎總是導(dǎo)致精母細(xì)胞死亡，無(wú)論是在粗線期還是在第一次減數(shù)分裂的中期，而雌性在面臨許多導(dǎo)致雄性完全減數(shù)分裂停滯和不育的突變時(shí)卻仍保持生育能力，盡管它們的生殖壽命可能會(huì)大大縮短［13］。此外，如前面所述，精子發(fā)生和卵子發(fā)生之間最明顯的差異發(fā)生在粗線期之后：雄性配子在減數(shù)分裂的其余部分快速進(jìn)行，但卵母細(xì)胞在前期Ⅰ停滯數(shù)周至數(shù)月（在小鼠）或數(shù)十年（在人類(lèi)）。研究證實(shí)，在胎兒發(fā)育過(guò)程中加載到染色體上的黏連蛋白對(duì)于調(diào)節(jié)完全成熟的卵母細(xì)胞的內(nèi)聚力是必要的和足夠的，凝聚力的喪失是產(chǎn)婦年齡效應(yīng)另一個(gè)原因［14-15］。具體來(lái)說(shuō)就是50 歲女性卵母細(xì)胞中的染色體分離可能依賴于 50 歲的黏附蛋白復(fù)合物，所以隨著年齡的增加減數(shù)分裂時(shí)染色體的錯(cuò)誤概率分配隨著增加。另外，最近的研究還發(fā)現(xiàn)，精母細(xì)胞和卵母細(xì)胞對(duì)中期染色體行為紊亂的反應(yīng)能力也是不同的［16］。在雄性小鼠中，這種反應(yīng)是強(qiáng)烈的，減數(shù)分裂中期Ⅰ二價(jià)體提前分裂為單價(jià)體是不能通過(guò)紡錘體組裝檢查點(diǎn) （spindle assembly checkpoint， SAC） ，會(huì)導(dǎo)致初級(jí)精母細(xì)胞的中期 Ⅰ停滯和死亡；相比之下，卵母細(xì)胞的第一次減數(shù)分裂的 SAC 控制，就如上面敘述的粗線期檢查點(diǎn)機(jī)制一樣，似乎在雌性中效率相對(duì)較低［16］。然而，重要的是，雖然第一次減數(shù)分裂時(shí)的雙極附著可能會(huì)避開(kāi)SAC，但在減數(shù)分裂Ⅰ期間姐妹染色單體的過(guò)早分離使得第二次減數(shù)分裂時(shí)的非整倍體發(fā)生。

4 染色體非整倍性改變的其他效應(yīng)

卵母細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中的長(zhǎng)期停滯會(huì)造成高風(fēng)險(xiǎn)的 DNA 損傷。Goldmann 等［17］通過(guò)分析 1 291個(gè)親代三人組的基因組序列發(fā)現(xiàn)母體染色體中聚集的從頭突變的數(shù)量隨著母親年齡的增長(zhǎng)而增加，母體成簇的從頭突變主要集中在第8、9、16號(hào)染色體，可能由母體卵母細(xì)胞中的DNA雙鏈斷裂引起。除了減數(shù)分裂，有絲分裂也會(huì)產(chǎn)生染色體錯(cuò)誤分離的子細(xì)胞，染色體錯(cuò)誤分離本身可以通過(guò)更多方式改變基因組，而不僅僅是導(dǎo)致染色體的增加或丟失。在異常的有絲分裂中，錯(cuò)誤分離的染色體經(jīng)常在后期滯后，并可能在細(xì)胞分裂期間被困在分裂溝中并被損壞，斷裂的染色體引起DNA損傷反應(yīng)，在細(xì)胞周期G1期，它們通過(guò)非同源端連接進(jìn)行修復(fù)，可能（但不總是）導(dǎo)致易位和缺失［18］。此外，落后的染色體有時(shí)也不能及時(shí)趕上其他染色體而并入重組細(xì)胞核，形成微核，微核中的DNA損傷水平很高，而這種損傷的修復(fù)會(huì)導(dǎo)致廣泛的DNA重排［19］。

細(xì)胞的非整倍性改變還會(huì)導(dǎo)致腫瘤抑制基因的缺失和癌基因的獲得，從而導(dǎo)致癌癥的發(fā)生［20］。例如，染色體分離錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致 p53激活，這可能是由多種機(jī)制造成的：（1）被困在細(xì)胞質(zhì)溝中的染色體受損并導(dǎo)致 DNA 損傷檢查點(diǎn)通路的激活，從而激活 p53；（2）非整倍體本身通過(guò)未知機(jī)制導(dǎo)致 p53到 p38 的激活；（3）非整倍體會(huì)導(dǎo)致代謝變化，進(jìn)而導(dǎo)致活性氧 （ROS） 增加，ROS 激活 DNA 損傷檢查點(diǎn)激酶共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變 （ATM），進(jìn)而激活 p53；（4）長(zhǎng)時(shí)間的分裂停滯導(dǎo)致 p53 激活，當(dāng)細(xì)胞在前中期停滯超過(guò) 1.5 h時(shí)，細(xì)胞會(huì)在從前中期阻斷釋放時(shí)激活 p53［20］。

5 小結(jié)

人類(lèi)非整倍體的起源是一個(gè)多步驟的過(guò)程，母親年齡的影響加上多次不同的“打擊”，共同增加了卵子出錯(cuò)的頻率。女性胎兒卵巢中由于減數(shù)分裂前期Ⅰ的長(zhǎng)期停滯導(dǎo)致了非整倍體的形成； 分裂過(guò)程中有效檢查點(diǎn)的缺乏；環(huán)境影響也在卵子發(fā)育的幾個(gè)不同階段起作用，從而增加了出錯(cuò)的可能性［21］。綜上所述，目前我們面臨的挑戰(zhàn)是將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為改進(jìn)診斷和治療，使婦女能夠?qū)ζ渖辰】底鞒鲋檫x擇。目前隨著人類(lèi)壽命的延長(zhǎng)，女性受教育年限的增長(zhǎng)，女性對(duì)生殖能力和生育年齡的需求越來(lái)越高。因此，在未來(lái)，制定改善卵母細(xì)胞遺傳質(zhì)量的干預(yù)措施，探討與女性生殖功能停止相關(guān)的生育和健康問(wèn)題等方面都是我們需要努力的方向。