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NSMB | 林承棋/罗卓娟团队与合作者报道染色体非整倍体导致反复流产的遗传基础

BioArt · 公众号 · 生物 · 2025-01-17 00:17

正文

染色体非整倍体与诸多人类疾病密切相关，其中胚胎染色体非整倍性是人类不孕、流产以及先天性出生缺陷的首要 “元凶”，而这一问题主要根源在于卵母细胞。据研究表明，约 20% - 40% 的人类女性卵母细胞呈现非整倍体状态。纺锤体在细胞分裂过程中对染色体分离起着至关重要的作用，而卵母细胞纺锤体容易受到多种因素的干扰。

2025年1月16日，东南大学生命科学与技术学院林承棋、罗卓娟教授团队联合多家研究机构在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表题为Maternal ELL3 loss-of-function leads to oocyte aneuploidy and early miscarriage的研究长文。该研究首次发现ELL3基因在反复流产患者中存在高频突变；ELL3突变会诱发胚胎非整倍体、流产，为反复流产的产前分子筛查提供了至关重要的依据和靶点。

转录延伸因子 ELL3 是 RNA Pol II 延伸因子 ELL 家族的成员，在胚胎干细胞中，ELL3 与增强子结合，介导RNA Pol II在发育调节基因启动子近端结合，调控干细胞谱系分化。2023年8月，林承棋、罗卓娟教授团队首次报道了 LINE - 1 的 5’UTR 可作为增强子，受到 ELL3 调控，进而调节目标基因活性，促进早期胚胎全能性的建立（详见：Nat Cell Biol | 林承棋/罗卓娟团队首次报道转座子LINE-1可作为增强子并调控胚胎干细胞全能性）。在本研究中，该团队揭示了ELL3独立于其转录调控功能，在卵子成熟过程中发挥调控纺锤体组装的非经典作用。

该研究通过对胚胎非整倍体反复自然流产的夫妇进行全外显子组测序，鉴定出一系列 ELL3功能缺失突变体。免疫荧光染色结果显示，ELL3定位于人与小鼠卵母细胞的纺锤体上。ELL3在人卵母细胞中的缺失会导致减数分裂纺锤体异常，大大增加卵母细胞及胚胎非整倍体发生率。在此基础上，研究团队构建了 Ell3 卵母细胞特异性敲除小鼠模型。结果显示，卵母细胞中的Ell3被敲除后，卵子与胚胎的非整倍体率显著增加，伴随着早期流产率的上升。同时，在未被早期流产的胚胎中，观察到了包括心脑发育畸形及早期胚胎停育在内的多种不同程度的胚胎缺陷。

进一步的生化分析揭示，ELL3与驱动蛋白家族成员11（KIF11）存在相互作用。KIF11作为一种关键动力蛋白，对于交联反向平行微管及纺锤体的正确组装至关重要。ELL3能够显著提升KIF11的ATP利用率，从而调控卵母细胞纺锤体的组装及染色体的准确分离。先前的研究已表明，多功能纺锤体组装因子TPX2能与KIF11相互作用，促进KIF11定位至纺锤体微管上。然而，TPX2同时也扮演着KIF11运动活性的负调控因子的角色。该研究显示ELL3与TPX2在结合KIF11时存在竞争关系，这种竞争确保了KIF11的活性受到正确的调控。

为了深入探究ELL3在减数分裂过程中对纺锤体组装及染色体排列的调节作用，本研究采用长时间三维活细胞成像和定量分析框架（方法详见：Xie P et al, Life Medicine 2024），对小鼠卵母细胞的减数分裂过程进行了实时成像观察与分析。三维重构分析结果显示，在ELL3缺失的情况下，卵母细胞无法形成正常的双极椭球形纺锤体结构。通过对单个染色体运动轨迹的实时追踪，发现ELL3缺失导致卵母细胞中染色体运动范围及速度均显著受限。此外，研究还发现，当ELL3与TPX2同时缺失时，卵母细胞染色体的运动方向会发生严重紊乱，这一发现强调了ELL3与TPX2协同调控KIF11，在确保纺锤体正确组装以及维护染色体整倍性方面的重要作用。

综上所述，该研究利用胚胎非整倍体反复自然流产的夫妇进行全外显子组测序数据，鉴定出一系列 ELL3功能缺失突变体。Ell3在卵母细胞中的缺失导致纺锤体结构的紊乱，以及卵子及胚胎非整倍体。Ell3母源性敲除小鼠亦表现出胚胎非整倍体、心脑发育缺陷及早期胚胎流产。在减数分裂期，ELL3定位于卵母细胞纺锤体。机制上，ELL3和TPX2相互拮抗协同调节马达蛋白KIF11的功能，促进纺锤体组装。活细胞染色体运动轨迹追踪进一步显示ELL3功能缺失可导致纺锤体组装异常和染色体运动停滞，造成染色体分离异常。该研究揭示了胚胎非整倍性的潜在遗传变异，并发现ELL3母源性功能丧失可导致胚胎非整倍性，为非整倍体流产的遗传学诊断提供了新的理论依据和早期筛查靶点。

东南大学生命科学与技术学院博士生朱诗琪，生物科学与医学工程学院谢芃研究员，生命科学与技术学院杨屹副教授，南京市妇幼保健院王艳博士，山东大学妇儿与生殖健康研究院博士生张传鑫，浙江大学动物科学学院博士后张玉为该论文的共同第一作者。东南大学生命科学与技术学院林承棋教授与罗卓娟教授，南京市妇幼保健院胡平主任，浙江大学动物科学学院熊波教授，山东大学妇儿与生殖健康研究院吴克良教授，福建省妇幼保健院孙艳教授为该论文的共同通讯作者。东南大学生命科学与技术学院谢维教授，中国科学技术大学细胞动力学教育部重点实验室姚雪彪教授，山东大学妇儿与生殖健康研究院陈子江院士、赵涵教授，南京市妇幼保健院许争峰教授，福建省妇幼保健院曹华教授共同参与了本项研究。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-024-01471-8

制版人：十一

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