哺乳動物生育后代時，它們會投入很多。與魚或青蛙不同，胚胎無法自行發育。它必須植入子宮，并在那里獲得生存所需的一切。在此之前，卵細胞一直在為早期胚胎提供營養。除其他外，它還提供必需的蛋白。
在一項新的研究中，德國馬克斯-普朗克多學科科學研究所的MelinaSchuh領導的研究人員與哥廷根大學的同事一起，闡明了卵細胞是如何儲存蛋白的。他們的實驗還為了解蛋白儲存錯誤如何導致不孕癥提供了重要啟示。令科學家們困惑了60多年的卵細胞結構在其中發揮了至關重要的作用。相關研究結果于2023年11月2日在線發表在Cell期刊上，論文標題為“Mammalianoocytesstoreproteinsfortheearlyembryooncytoplasmiclattices”。
對于許多夫婦來說，為人父母是一個漫長的過程。對有些人來說，生兒育女的愿望甚至仍未實現。病因多種多樣，男性和女性都有。女性的生育能力會隨著年齡的增長而下降，不孕不育的可能性也會增加。不過，基因突變也可能導致這種情況。
對全球不孕女性遺傳物質的分析表明，導致女性不孕的最常見遺傳原因之一是某些基因的突變。這些基因包含制造蛋白PADI6和稱為皮質下母體復合體（SubcortialMaternalComplex,SCMC）的蛋白復合體的藍圖。然而，人們以前并不清楚這些蛋白在不孕癥中的具體作用。
蛋白儲存場所
Schuh及其研究團隊如今利用成像技術可視化觀察到，PADI6和SCMC是填充卵細胞內部結構的主要成分。Schuh解釋說，“幾十年來，研究界一直在困惑這種結構的功能和組成，我們稱其為細胞質晶格（cytoplasmiclattices）。”
當這些作者從小鼠卵細胞中移除PADI6和SCMC蛋白時，細胞質晶格消失了---這帶來了致命的后果。Schuh說，“缺乏細胞質晶格的小鼠卵細胞也缺乏早期胚胎所需的蛋白。胚胎的發育在受精后不久就停止了。因此，我們猜測細胞質晶格可能是蛋白的儲存場所。”
在卵細胞中儲存蛋白絕非易事。這是因為卵細胞是在雌性哺乳動物出生后的卵巢中產生的，并在卵巢中保持數月甚至數年的功能性。卵細胞必須在相應長的時間內儲存蛋白，使之不被降解或在錯誤的時間變得活躍。
接下來，Schuh團隊研究了細胞質晶格中含有哪些蛋白。他們與馬克斯-普朗克多學科科學研究所的HenningUrlaub和JulianeLiepe領導的研究團隊合作，利用質譜法和生物信息學確定了細胞質晶格中的確切蛋白含量。
他們的結果顯示，細胞質晶格與許多對胚胎發育至關重要的蛋白結合。Schuh指出，“我們的結果有力地證明了我們的假設是正確的：細胞質晶格是卵細胞的蛋白儲存場所，為早期胚胎提供重要的蛋白。”
PADI6和SCMC蛋白儲存蛋白
他們進一步發現，PADI6和SCMC蛋白承擔著為胚胎早期發育收集和儲存蛋白的任務。論文第一作者IdaJentoft說，“這就解釋了為什么如果這些蛋白缺失或無法發揮其功能，胚胎在受精后不久就會停止發育。我們當時感興趣的是如果PADI6和SCMC因基因突變而缺失，是否可以替代有缺陷的蛋白儲存場所。”
在實驗中，這些作者成功地將這些缺失的細胞質晶格蛋白人為地重新引入到生長中的小鼠卵細胞中。通過這種方法，也有可能在有缺陷的人類卵細胞中重建細胞質晶格。Jentoft認為，這可能是治療由PADI6和SCMC基因突變引起的不孕癥的一種很有前景的新方法。
顯微鏡下冷凍的卵細胞
當被問及為什么花了幾十年時間才破譯出卵細胞中神秘的細胞質晶格結構的功能時，Schuh和Jentoft給出了一個簡短的答案：卵細胞的大小和方法的缺乏。卵細胞是哺乳動物眾多種細胞類型中的巨大細胞。卵細胞儲存蛋白的特性決定了很難對其內部進行研究。
Schuh解釋說，“方法學上的主要挑戰是如何讓卵細胞能夠被我們使用的成像方法---高分辨率光學顯微鏡和低溫電子斷層掃描（cryo-ET）---觀察到。cryo-ET可以在幾乎自然的條件下對卵細胞的三維分子結構進行研究。這在以前是不可能實現的。”該團隊在這一過程中取得的突破得益于生殖醫學中一個屢試不爽的技巧。
對cryo-ET而言，細胞必須首先被急速冷凍。這些作者利用了診所為人工授精定期冷凍人類卵細胞的做法來儲存它們。為了在冷凍過程中保護卵細胞，診所會使用冷凍保護劑。哥廷根大學醫學中心的RubénFernández-Busnadiego報告說，“我們的想法是使用同樣的冷凍保護劑來實現所需的卵細胞快速冷凍。”
Schuh補充說，“利用這種方法，我們可以研究卵細胞中的細胞質晶格，并開始詳細解讀它們的結構。”這些作者希望這些新技術能夠在卵細胞研究領域取得重要進展，并在未來開發出新的治療方法。
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