NEJM:复旦大学王磊课题组揭开人类卵子成熟障碍之谜
2016/01/21
人类繁衍依赖于成熟的卵母细胞与精子融合形成受精卵,然而导致人类卵母细胞成熟障碍的遗传因素及机制至今还是未知的,2016年1月21日,复旦大学生物医学研究院王磊教授及其团队在国际顶级医学杂志《新英格兰医学杂志》上揭开了这块神秘的面纱。


人类繁衍依赖于成熟的卵母细胞与精子融合形成受精卵,然而导致人类卵母细胞成熟障碍的遗传因素及机制至今还是未知的,2016年1月21日,复旦大学生物医学研究院王磊教授及其团队在国际顶级医学杂志《新英格兰医学杂志》上揭开了这块神秘的面纱。

研究人员对一组四世同堂家庭的五名成员进行外显子测序,其中三名成员由于卵母细胞第一次减数分裂受抑制而导致不孕症。同时研究人员对这五名成员及其他家庭成员和其他受影响的23个家庭进行候选基因TUBB8 的Sanger测序。人类卵母细胞、早期胚胎、精子细胞以及部分体细胞组织中的TUBB8基因和 β-微管蛋白亚型的表达均可通过定量RT-PCR(反转录PCR)来评估。研究人员探讨了TUBB8基因突变对异质二聚体组装的影响。异质二聚体由一个α-微管蛋白多肽和一个β微管蛋白多肽组成,即α/β-微管蛋白异质二聚体。

研究人员在灵长类动物特异基因TUBB8中发现了7个突变,在24组家庭中,其中有7组家庭的卵母细胞第一次减数分裂受抑制与该基因突变有关。TUBB8基因的表达对卵母细胞和早期胚胎非常重要,该基因编码了几乎所有的β微管蛋白。研究人员发现TUBB8突变影响α/β-微管蛋白异质二聚体的组装过程,从而破坏体外培养细胞的微管网络,改变体内微管的动力学,导致纺锤体的形成出现严重的缺陷,从而造成老鼠和人类卵母细胞的发育停滞。

最后研究人员得出以下结论:TUBB8突变具有显性负效应,可破坏微管的功能以及卵母细胞减数分裂纺锤体的组装,从而导致女性不孕。


专访王磊教授:人类卵子成熟障碍之谜揭开之后的故事

王磊教授一直致力于利用分子遗传学手段寻找人类生殖疾病相关致病基因,并利用细胞、动物模型对相关基因功能展开深入的研究,在本次研究中,他利用遗传及功能基因组学手段揭开了人类卵子成熟障碍之谜,那么在知晓人类卵子成熟障碍之谜之后,他下一步要做什么?对此采访了复旦大学王磊教授。

在本研究中人类卵子成熟障碍与TUBB8基因突变有关,那么TUBB8基因突变导致的不孕症是否属于遗传疾病?该突变与哪些因素有关?

王磊教授:TUBB8基因突变导致的不孕症属于遗传疾病,在本研究中相当一部分患者的突变来自于她的父亲,显示了孟德尔遗传的特点,我们实际上也是首次定义了此独特表型的父源突变传递的孟德尔遗传模式。由于此基因在精子中不表达,因而携带突变的男性生育正常;另有一部分患者的突变为新发突变。导致新发突变产生的因素较多,比如,在精卵结合及胚胎发育早期的DNA修复中出现问题。

揭露人类卵子成熟障碍的遗传机理对临床有和意义?

王磊教授:正如在NEJM同期配发的由Jurrien Dean教授撰写的评论中描述的那样,未来通过检测TUBB8突变,会有助于因卵子不成熟致不孕这部分患者的精确分子诊断。

根据目前的技术水平,TUBB8基因突变是否可以修正?

王磊教授:目前有希望用于一些疾病患者基因突变修复的方法是Crisp/Cas9。但是,运用此类技术在人类生殖及早期胚胎的修复方面,目前存在着巨大的争议。另一方面,我们知道带有TUBB8突变患者卵子不成熟的根本原因是纺锤体组装出了问题,该部分患者是否可以通过此项技术达到产生正常纺锤体的目的,本身还存在着很多技术环节及研究点需要突破。针对患者TUBB8的基因修复很让人期待,但是还有很长的路要走。

是否打算进一步研究如何修正该基因吗?

王磊教授:我们正在对与这个问题相关的另一些科学问题进行研究。期待假以时日,能呈现给大家一些有趣的,与众不同的研究成果。

您认为将来是否有望研发针对TUBB8基因突变的靶向药物来治疗不孕症?

王磊教授:通过狭义的靶向药物来阻断TUBB8突变引起的纺锤体装配问题,似乎很难。广义的靶向药实际上包含基因治疗在内,这就回到了问题3的情况。真正利用修复基因的方法来治疗此类不孕症,无论在科学研究,还是政策伦理方面,都还有很长的路要走。

结语

不孕症与癌症、心血管疾病等并列成为当今影响人类健康的主要疾病,影响家庭稳定及社会和睦。近年来,随着科技的进步,人类对不孕症的探索也越来越深。2015年2月份发表于《PNAS》杂志上的研究表明了利用干细胞成功治疗不孕症不再是神话;据Science及BBC网站报道,最火的基因编辑技术CRISPR可能很快就要用于人类胚胎研究了,2016年1月14日,英国伦敦Francis Crick 研究所的研究人员申请用CRISPR技术敲除日龄胚胎(day-old embryos)中的发育基因,希望这一研究路线有一天可以改善不孕治疗。然而,正如王磊教授所说,真正利用基因修复技术来治疗不孕症,还有很长的路要走。

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  • Mutations in TUBB8 and Human Oocyte Meiotic Arrest

    BACKGROUND Human reproduction depends on the fusion of a mature oocyte with a sperm cell to form a fertilized egg. The genetic events that lead to the arrest of human oocyte maturation are unknown. METHODS We sequenced the exomes of five members of a four-generation family, three of whom had infertility due to oocyte meiosis I arrest. We performed Sanger sequencing of a candidate gene, TUBB8, in DNA samples from these members, additional family members, and members of 23 other affected families. The expression of TUBB8 and all other β-tubulin isotypes was assessed in human oocytes, early embryos, sperm cells, and several somatic tissues by means of a quantitative reverse-transcriptase–polymerase-chain-reaction assay. We evaluated the effect of the TUBB8 mutations on the assembly of the heterodimer consisting of one α-tubulin polypeptide and one β-tubulin polypeptide (α/β-tubulin heterodimer) in vitro, on microtubule architecture in HeLa cells, on microtubule dynamics in yeast cells, and on spindle assembly in mouse and human oocytes. RESULTS We identified seven mutations in the primate-specific gene TUBB8 that were responsible for oocyte meiosis I arrest in 7 of the 24 families. TUBB8 expression is unique to oocytes and the early embryo, in which this gene accounts for almost all the expressed β-tubulin. The mutations affect chaperone-dependent folding and assembly of the α/β-tubulin heterodimer, disrupt microtubule behavior on expression in cultured cells, alter microtubule dynamics in vivo, and cause catastrophic spindle-assembly defects and maturation arrest on expression in mouse and human oocytes. CONCLUSIONS TUBB8 mutations have dominant-negative effects that disrupt microtubule behavior and oocyte meiotic spindle assembly and maturation, causing female infertility. (Funded by the National Basic Research Program of China and others.)

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