Science：从受精卵到生命的第一步，我们直到今天才看清

哺乳动物受精卵中双纺锤体结构

还记得高中生物书对动物有丝分裂过程的描述吗？在这一过程中，一个名为纺锤体的结构起到牵引、分配染色体的关键作用。此前人们始终认为，一个细胞的有丝分裂仅由一个纺锤体控制。然而，一项最新的重磅研究显示，这一结论在受精卵中并不成立。

上周末，在一篇发表于《科学》（Science）期刊的论文中，欧洲分子生物学实验室的科学家展示了一项颠覆性的发现：在受精卵第一次分裂的过程中，父系和母系染色体竟然是分头行动的——两个纺锤体分别控制双方染色体的分离。这一发现让我们重新认识受精卵的分裂，也让我们重新审视对生命开端的定义。

编译  杨心舟

编辑  吴非

来源  环球科学ScientificAmerican

让我们首先来回顾生物书中的有丝分裂过程。在生殖过程中，第一步就是精子与卵细胞的结合。在这之后的第一次有丝分裂中，伴随着核膜崩解，父母的染色体从细胞核中释放出来，完成第一次会面。

在有丝分裂的过程中，有一个不可或缺的结构——纺锤体。纺锤体由许多细长的微管蛋白集合而成。有丝分裂前期，它们在染色体周围迅速自发形成双极纺锤体结构，并在细胞分裂时牵引、分配染色体。可以说，纺锤体的完整性保证了细胞分裂的准确。

通常，一个细胞只含有一个双极纺锤体。对于胚胎细胞的第一次分裂，在很长一段时间内，科学界同样认为父母的染色体是由一个纺锤体牵拉、分离至两个细胞中的。

新成像技术下的重大发现

大约20年前，有科学家在观察二细胞期胚胎时注意到，父母的染色体分别占据细胞核内的两个半月形区。但由于胚胎细胞对光非常敏感，在早期的显微观测技术中，它们往往会受到损害。因此，受制于技术手段，当时人们并不知道该如何解释这种现象。

现在，成像技术的进步让科学家得以揭示其真相。欧洲分子生物学实验室（EMBL）的 Jan Ellenberg 和 Lars Hufnagel 团队开发出最新的成像技术——激光片层扫描显微系统。这种新方法并不需要给整个区域打光，而可以对激发光区域进行选择。这样就显著降低了光源亮度，让胚胎细胞第一次分裂的过程首次细致地展现在研究者面前。

该研究的通讯作者Jan Ellenberg（图片来源：EMBL）

研究团队用不同颜色的荧光染料，分别对小鼠受精卵中来自父系及母系的染色体进行标记。结果，人们首次在显微镜下观察到，在哺乳动物受精卵的分裂过程中，父系及母系的染色体是分头行动的。

研究团队发现，父系（绿色）、母系（粉色）来源的染色体在第一次有丝分裂是分开的。

仔细观察发现，分裂过程有两个纺锤体结构形成。

正确组装牵引的纺锤体将形成单核细胞。（图中粉色标示基因组）

错误组装牵引的纺锤体将形成多核细胞。

激光片层扫描显微系统显示，父母系染色体被两个纺锤体牵拉（箭头所示）

在临床的试管受精中，经常在受精卵分裂后出现错误，导致胚胎发育失败。这项研究告诉我们，这种现象很大程度上与双纺锤体有着极大联系。两个纺锤体分别负责父系母系染色体的牵拉，如果它们在分裂细胞后期没有及时合并，那么两组染色体无法汇合。这一错误过程将形成两个或多个细胞核，从而导致后续胚胎发育失败和其他遗传信息的传递错误。

哺乳动物受精卵有丝分裂的新旧观点。（来源：Science）

试管移植新希望？

领导了这项研究的 Jan Ellenberg 说，“目前已知的双纺锤体现象一般出现在简单的生物，例如昆虫中，但是我们没有想过这种现象也会出现在以小鼠为例的哺乳动物中。这项发现令人惊讶，也提醒人们要随时对从未预料的事物的出现做好准备。”

“这个课题的目的，就是为了找出在胚胎细胞首次分裂过程中容易产生错误的原因，”Ellenberg 说，“针对这些后果，我们在机制上有了新的认知，也可以从这个角度寻找新的分子靶标。当然最重要的，还是要进一步探究这一过程是否同样适用于人类，因为这可以为疾病的治疗提供有意义的信息，比如解决不育问题。”

目前，各国法律对于“生命开始”的定义并不一致，例如德国将受精卵期视作生命的开端，因为此前人们认为这时的父母系基因组已经合并。因此，在临床做试管移植时，就只能挑选一些受精卵期的细胞移植到孕妇体内。而多核细胞会导致胚胎发育失败，给孕妇带来巨大的健康隐患和后期心理伤害。

如今，这项研究向我们揭示了受精卵期父系母系的基因组并没有完全合并，因此，今后对生命开始的定义也许需要进行大幅修改了。这一变化使人们能够在试管移植前挑出多核细胞，极大程度地提升胚胎形成率，保证孕妇的安全。

文中图片及动图来自研究论文。

原始论文：

Dual-spindle formation in zygotes keeps parental genomes apart in early mammalian embryos

参考链接：

http://science.sciencemag.org/content/361/6398/128

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2018-07/embl-pck070918.php

---

本文经授权转载自公众号“环球科学ScientificAmerican”(ID:huanqiukexue)

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐 

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]