改寫教科書！Science首次揭秘：關於「受精卵」的這一認知，我們錯了

【圖1】Artistic 3D rendering of the dual spindle in the mammalian zygote.

IMAGE: Cartasiova, Hoissan, Reichmann, Ellenberg/EMBL

長期以來，科學家們認為，在胚胎的第一次細胞分裂時，是一個紡錘體（spindle）負責將染色體分離到2個細胞中。然而，EMBL的科學家們現在卻發現，實際上有2個紡錘體參與了染色體分離過程：每一套親代染色體各有一個對應的紡錘體。

【Movie 1】視頻顯示，兩個親代基因組（標記為粉色和藍色）如何在第一次細胞分裂期間保持空間上的分離。

【Movie 2】表達EB3-mCherry（綠色）和tdEos-Cep192（品紅色）的MMU小鼠受精卵活細胞延時成像。

何為紡錘體？它由被稱為微管（microtubules）的細的、管狀蛋白質組成。在動物細胞有絲分裂期間，微管會動態生長，並自我組織成一個圍繞染色體的雙極紡錘體（bi-polar spindle）。微管纖維朝向染色體生長，並與之相連，為將染色體分離到子細胞做準備。

改寫認知

【圖2】在早期哺乳動物胚胎中，受精卵中雙紡錘體的形成使親代基因組保持分離

（圖片來源：Science）

通常情況下，每個細胞只有1個雙極紡錘體，然而，題為「Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos」的這項研究表明，在受精卵第一次細胞分裂期間，有2個雙極紡錘體出現：一個負責分離來自母親的染色體，一個負責分離來自父親的染色體。這意味著，來自每個親代（父親和母親）的遺傳信息在第一次分裂時是分開的（見下圖右側模型）。

【圖3】令人意外的是，在小鼠中，受精卵第一次分裂期間，來自雄性和雌性（精子和卵子）的染色體在不同的紡錘體上被分開。這增加了形成多核細胞的可能性。

（哺乳動物的第一次有絲分裂 | 圖片來源：Science）

領導該研究的Jan Ellenberg說：「先前，我們已經知道，在像昆蟲這樣的簡單生物中有雙紡錘體的形成，但我們從來沒有想過在像小鼠這樣的哺乳動物身上也會發生這種情況。這一發現是一個巨大的驚喜。」

【圖4】小鼠受精卵的免疫熒光染色（左圖）顯示，有2個有絲分裂紡錘體（綠色）平行排列。

右圖顯示了微管組織中心（洋紅色）、微管與染色體結合的位點（灰色）以及染色體（藍色）。

技術突破

事實上，為了弄清在胚胎髮育早期親代染色體是如何結合和分離的，科學家們必須在非常高的空間和時間解析度下對受精卵進行成像。而如果沒有由Ellenberg及論文共同作者Lars Hufnagel團隊開發出的新顯微鏡技術LSMT（light-sheet microscopy technology），EMBL的研究團隊是不可能獲得這一發現的。

該技術能夠對胚胎髮育的早期階段進行實時、3D成像。之所以先前的技術不行，是因為在發育的早期階段，胚胎對光線非常敏感，會被傳統的光學顯微鏡方法破壞。LSMT的高速和空間精度（high speed and spatial precision）大大減少了胚胎接觸的光量，從而使得詳細分析這些先前隱藏的過程成為了可能。

【Movies 3-5】表達αTubulin-EGFP（綠色）和H2B-mCherry（品紅）的經Nocodazole（一種微管解聚藥物）沖刷後的MMU小鼠受精卵的活細胞延時成像。

重大意義

每個人的生命都是從卵子受精開始的。科學家們認為，雙紡錘體的形成可能部分解釋了為什麼哺乳動物在早期發育階段（胚胎最初的幾次細胞分裂中）會有非常高的錯誤率。如圖3（紅框標記處）所示，如果紡錘體的兩極沒有對齊和融合，那麼，受精卵的遺傳物質可能會被拉向3個或4個方向，而不是2個。而這種錯誤會導致擁有多個細胞核的細胞產生，從而終止胚胎髮育。

Ellenberg認為，雙紡錘體提供了一種先前未知的機制。接下來，非常重要的一步工作是，調查雙紡錘體是否在人類中發揮了相同的作用。因為，這將為研究如何改善人類不育治療提供非常有價值的信息。

責編：風鈴

參考資料：

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