Cell Prolifer︱孙少琛团队揭示霉菌毒素NIV对卵母细胞成熟毒性的新途径
撰文︱卢平双
责编︱王思珍
编辑︱杨 婵
霉菌毒素污染已成为世界性重大问题。据统计，全球25%-50%的粮食作物受到霉菌毒素影响[1]。霉菌毒素（mycotoxin）是曲霉、青霉、镰刀菌等多种真菌的次级代谢产物。雪腐镰刀菌烯醇（nivalenol，NIV）是一种B型单端孢霉烯霉菌毒素，广泛存在于受污染的玉米、小麦、花生等粮食谷物，已被报道具有显著的免疫毒性、遗传毒性及生殖发育毒性[2]。因此，探明NIV的毒性及其作用机制对缓解其环境暴露带来的潜在威胁具有重要意义。
卵母细胞成熟（oocyte maturation）是受精及早期胚胎发育的基础。不同于有丝分裂，卵母细胞减数分裂呈现两次阻滞以及随后的恢复[3]。第一次阻滞发生在减数分裂双线期，并在促性腺激素刺激下恢复，发生生发泡破裂（germinal vesicle breakdown，GVBD）。卵母细胞GVBD后，在成熟促进因子（maturation promoting factor，MPF）作用下，形成双极梭形纺锤体。同时，微管捕捉染色体并与其建立稳定动粒微管连接（kinetochore-microtubule attachment，K-MT连接），随后释放第一极体。环境应激因子以及自身微管稳定性变化导致的K-MT连接失败，能进一步激活纺锤体组装检验点，阻碍极体排出过程。第二次阻滞发生在减数第二次分裂中期，直至精子或特殊物质刺激后才得以释放。减数分裂细胞周期异常，反应为卵母细胞成熟障碍，卵子质量低下。卵子质量低下会导致受精失败、流产、难产等现象，严重损害动物的生殖系统。尽管NIV对生殖系统的影响已有所报道，但对卵母细胞成熟，特别是减数分裂成熟过程中细胞周期的影响还不清楚。
2022年6月23日，南京农业大学动物科技学院孙少琛课题组在Cell Proliferation在线发表了题为“Nivalenol affects Cyclin B1 level and activates SAC for cell cycle progression in mouse oocyte meiosis”的研究。该研究以卵母细胞为模型，借助荧光示踪、蛋白免疫印迹、共聚焦显微成像等手段，揭示了体外NIV暴露通过抑制Cyclin B1表达，破坏微管稳定性依赖的动粒微管连接结构，持续激活纺锤体检验点，进而导致卵母细胞中后期进程阻滞。研究结果为解析霉菌毒素对卵子质量的损伤提供理论基础。
霉菌毒素在世界范围内广泛存在，给人和动物健康带来潜在威胁。大量研究集中通过氧化应激、DNA损伤以及细胞凋亡来阐明霉菌毒素暴露后的负面影响，然而从细胞周期控制角度解释却是少有的。在该研究中，研究人员选择了一种典型的单端孢霉烯类真菌毒素，NIV，旨在从细胞周期角度探索其对卵母细胞成熟的影响及机制。通过体外暴露，研究者首先发现NIV不影响卵母细胞减数分裂恢复，但导致中后期进程阻滞。一方面，卵母细胞减数分裂中期进程与MPF活性密切相关。MPF是一种由调节亚基周期蛋白Cyclin B1及催化亚基周期蛋白依赖性激酶CDK1组成的异质二聚体蛋白激酶[4]。因此，研究人员接下来对Cyclin B1及CDK1表达水平进行检测，发现培养6 h及9 h后NIV处理组Cyclin B1水平、荧光强度均显著低于对照（图1A-F）。该结果说明NIV可能干扰卵母细胞中后期Cyclin B1的合成，进而阻滞MPF活性关联的中期进程。
图1 NIV暴露影响卵母细胞减数分裂中后期Cyclin B1表达
（图源：Lu PS, et al., CellProliferation, 2022）
另一方面，微管在细胞分裂过程中具有重要的作用。合适的微管动力学不仅关系纺锤体的正确组装，同时促进K-MT连接稳定形成，灭活细胞周期检验点，启动中后期转换。研究者进一步发现，NIV暴露破坏卵母细胞纺锤体构型。采用冷处理后，大量处理组微管解聚，染色体动粒与微管连接失败（图2A,B）。卵母细胞9.5 h培养后，仍在动粒处可观察到MAD2及BUBR1检验点蛋白强烈信号（图2C,D）。以上结果进一步证实NIV可能通过破坏卵母细胞微管稳定性依赖的K-MT连接，持续激活细胞周期检验点，最终造成卵母细胞中期进程阻滞。
图2 NIV暴露通过影响动粒与微管连接激活纺锤体检验点
（图源：Lu PS, et al., CellProliferation, 2022）
图3 NIV对卵母细胞减数分裂进程影响的模式图
（图源：Lu PS, et al., CellProliferation, 2022）
综上所述，该研究发现体外NIV暴露不影响卵母细胞减数分裂恢复，但可能通过抑制中后期Cyclin B1表达，破坏微管稳定性所依赖的动粒-微管连接结构，持续激活纺锤体阻滞检验点，导致卵母细胞减数分裂进程阻滞，引起其成熟失败（图3）。
在本次研究中，低Cyclin B1水平在处理组卵母细胞减数分裂中后期中被发现报道。Cyclin B1，MPF活性的调控亚基，其与CDK1结合形成MPF前体是激活MPF的前提。Cyclin B1从减数分裂间期开始合成，并在卵母细胞减数分裂恢复后，借助核糖体对Ccnb1的装载使得Cyclin B1水平快速增加至间期的7-8倍[5]。中后期合成不足的Cyclin B1提示MPF活性未能被充分激活。对于NIV是如何引起卵母细胞减数分裂恢复后Cyclin B1水平合成不足，研究者提出可能存在两种原因。其一是NIV可能干扰Ccnb1翻译调控元件如CPEB1从翻译抑制复合物的释放。其二是NIV可能影响母源Ccnb1转录本的积累。NIV导致卵母细胞中后期Cyclin B1水平下降的原因及卵子发育缺陷的深层分子机制需要进一步研究。试验结果首次从细胞周期控制角度探索NIV对卵母细胞的影响及机制，为NIV生殖毒性提供理论依据。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cpr.13277
南京农业大学动物科技学院卢平双为论文第一作者，孙少琛教授为论文通讯作者。本研究受到国家自然科学基金及国家重点研发计划项目的资助。
通讯作者孙少琛（左），第一作者卢平双（右）
（照片提供自：南京农业大学动物科技学院孙少琛课题组）
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参考文献（上下滑动阅读）
[1] Liew WP, Mohd-Redzwan S. Mycotoxin: Its Impact on Gut Health and Microbiota. Frontiers in cellular and infection microbiology. 2018; 8:60.
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[3] B. Mogessie, K. Scheffler and M. Schuh. Assembly and Positioning of the Oocyte Meiotic Spindle. Annu Rev Cell Dev Biol, 2018,34:381-403.
[4] J. Li, W. P. Qian and Q. Y. Sun. Cyclins regulating oocyte meiotic cell cycle progression. Biol Reprod, 2019,101(5):878-881.
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本文完