楊佳怡，李越 ，班利榮，張娜，李靜，張巖

染色體非整倍性改變最早是由Gunnar T?ckholm在1922年提出的，是指體細(xì)胞中染色體數(shù)目增加或減少一條到數(shù)條，結(jié)果形成非整倍體［1］。在正常有性生殖過程中，每個胚胎分別從父親和母親那里繼承 22 條常染色體和1條性染色體，形成具有22對常染色體和1對性染色體的正常胎兒，而非整倍體是指繼承了太多或太少的任何染色體，這是臨床上最常見的染色體畸變類型。如果胎兒僅從父親或者母親一方繼承了一個拷貝的常染色體，我們稱之為常染色體單體，這樣的胎兒會出現(xiàn)嚴(yán)重的異常并在臨床確認(rèn)懷孕前死亡；如果胎兒多繼承一個常染色體，我們稱之為常染色體三體，這個額外拷貝也與嚴(yán)重的發(fā)育異常有關(guān)，約占所有流產(chǎn)的三分之一；如果胎兒少繼承或者多繼承了性染色體，會造成性發(fā)育異常，包括性腺或者第二性征異常，我們稱之為性染色體非整倍體。相對于少一條常染色體的致命打擊，多一條常染色體和性染色體的變化對機體造成的損傷略柔和一些，因此我們在臨床上能夠看到有常染色體三體和性染色體非整倍體的胎兒活著出生。21號染色體三體就是唐氏綜合征的病因，也是迄今為止影響活產(chǎn)胎兒的最常見的非整倍性改變。

經(jīng)過數(shù)十年的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致衰老卵母細(xì)胞非整倍體的許多可能原因，例如不令人滿意的交叉形成、黏連蛋白丟失、紡錘體組裝缺陷、紡錘體組裝檢查點故障、微管-動粒附著失敗、動粒定向錯誤、DNA 損傷等方面［2-3］。然而，這些非整倍體化因素是否存在內(nèi)在關(guān)系，以及如何防止老年卵母細(xì)胞發(fā)生非整倍體化等問題仍需解答。在這篇綜述中，我們總結(jié)了卵子發(fā)生的特點，卵母細(xì)胞非整倍體的研究進展等，并提出了卵母細(xì)胞非整倍體的綜合觀點。

1 卵母細(xì)胞發(fā)育概述

哺乳動物的卵子發(fā)生始于卵母細(xì)胞從胎兒卵巢中的原始生殖細(xì)胞的分化。雌性小鼠的生殖細(xì)胞在胚胎期12.5 d和13.5 d之間通過雌性途徑分化為卵母細(xì)胞，此過程通常還伴有從有絲分裂到減數(shù)分裂的轉(zhuǎn)變［4］。啟動減數(shù)分裂的卵母細(xì)胞包含每條染色體的兩個同源拷貝，每個染色體在減數(shù)分裂 S期復(fù)制形成兩個姐妹染色單體，并通過姐妹染色單體凝聚在一起。在減數(shù)分裂 S 期后，卵母細(xì)胞進入第一次減數(shù)分裂的細(xì)線期，并通過產(chǎn)生 DNA 雙鏈斷裂 （DNA double-strand break，DSB） 來啟動減數(shù)分裂重組，這些 DNA 雙鏈斷裂招募修復(fù)蛋白形成重組灶［5］。在偶線期和粗線期，重組灶成熟，并招募一系列促進重組中間體分解為交叉交換或非交叉交換的因素［5］。非交叉交換僅獲得短片段的同源序列，用作修復(fù) DNA 損傷的模板，而交叉交換在交叉位點遠端的同源染色單體之間交換染色單體臂。這些交叉可能會起到兩個作用：（1）增加種群的遺傳多樣性；（2）若聯(lián)會復(fù)合體在雙線期中分解，能夠提供將同源染色體保持在一起的物理連接［6］。在出生前后，發(fā)育中的卵母細(xì)胞停滯在交叉口處，將同源染色體保持在一起作為一個二價體單元。在這種長時間的停滯期間（在人類中持續(xù)數(shù)十年），交叉體由姐妹染色單體之間的內(nèi)聚力維持，尤其是交叉口遠端染色體臂上的內(nèi)聚力［6］。

當(dāng)女孩性成熟后，在月經(jīng)周期中，激素的刺激會誘導(dǎo)成組的優(yōu)勢卵母細(xì)胞生長、成熟，最終恢復(fù)減數(shù)分裂并進展到中期Ⅰ。同源染色體之間的這些物理連接，結(jié)合姐妹染色單體的著絲粒的單向度，使得來自每個同源染色體的著絲粒連接到相反的紡錘體極時產(chǎn)生張力［6］。當(dāng)卵母細(xì)胞由中期Ⅰ到后期Ⅰ轉(zhuǎn)變時，染色體臂上的姐妹染色單體凝聚力被釋放，使交叉溶解，同源染色體分離到相反的紡錘體極，而姊妹染色單體在著絲粒上的凝聚力在這一點被保留，并將兩個姊妹染色單體連接在一起［7］。當(dāng)卵母細(xì)胞進入MⅡ時，每一對姐妹染色單體在中期Ⅱ紡錘體上與姐妹著絲粒雙定向到相反的紡錘體極。然后，卵母細(xì)胞在中期Ⅱ停止活動，通常在受精后完成減數(shù)分裂，移除著絲粒凝聚力，使姐妹染色單體分離并分開到相反的紡錘體極［7］。卵母細(xì)胞的兩次減數(shù)分裂都是不對稱的，并將一組染色體擠出到小的極體中，在著床前發(fā)育過程中這些極體會退化，而在較大的、發(fā)育能力較強的卵母細(xì)胞中保留一組單倍染色體。因此，在卵母細(xì)胞發(fā)育過程中，姊妹染色單體之間產(chǎn)生并維持的內(nèi)聚性和同源體之間的交叉是防止非整倍體傳遞給下一代的關(guān)鍵。

2 母親年齡與染色體非整倍性改變

隨著年齡的增長，女性的懷孕能力逐漸喪失，不孕癥大多數(shù)發(fā)生在35～45歲，減數(shù)分裂中染色體分離錯誤在這個年齡窗也急劇增加［8］。在達到臨床識別的自然受孕中，35%的人類妊娠是非整倍體；在著床前胚胎中觀察到的比率要高得多，部分原因是非整倍體胚胎發(fā)育潛力差，在著床周階段和懷孕過程中被選擇［9］。35歲婦女的卵母細(xì)胞中有20%的非整倍體，而43歲以上婦女的卵母細(xì)胞中有近60%的非整倍體，母親年齡是影響非整倍體的主要因素，并產(chǎn)生了特征性的J曲線，自然妊娠中三體性發(fā)病率在最年輕的母親年齡略有增加，在更年期前的十年呈指數(shù)增長［9］。非整倍體的J型曲線是三種不同錯誤類型的組合：（1）減數(shù)分裂Ⅰ不分離，即整條染色體的增加或減少；（2）姊妹染色單體的提前分離，在減數(shù)分裂Ⅰ時同源染色體中的一個姐妹染色單體提前分離；（3）反向分離，兩條同源染色體同時在減數(shù)分裂Ⅰ將姐妹染色單體分離［8］。唐氏綜合征病人的基因分型表明，大約四分之三的母源性病例是由同源染色體的錯誤分離引起的，四分之一是由姐妹染色單體的錯誤分離引起的［8］。這與大量細(xì)胞學(xué)數(shù)據(jù)一致，表明高齡女性人類卵母細(xì)胞中最普遍的染色體錯誤分離事件涉及MⅠ 期間姐妹染色單體的過早分離［8］。

對接受輔助生殖手術(shù)的女性卵子的早期研究表明，姐妹著絲粒的過早分離是人類非整倍體發(fā)育的主要機制［10］。最近提出的兩次打擊模型表明，MⅠ 期間的分離錯誤是由在胎兒階段產(chǎn)生易感交叉配置的第一次打擊和包括年齡相關(guān)的染色體凝聚力在減數(shù)分裂前期阻滯期降低的第二次打擊的組合引起的［11］。二價體的完整性對精確的染色體分離至關(guān)重要，然而，最近對人類卵母細(xì)胞的研究表明，在老年婦女卵母細(xì)胞中二價體的結(jié)構(gòu)趨于瓦解［12］。在小鼠和人類中，二價體隨著年齡增長會出現(xiàn)兩種主要的結(jié)構(gòu)缺陷。首先，姐妹著絲粒分離的距離很大，這與姐妹著絲粒與減數(shù)分裂紡錘體不協(xié)調(diào)且常常錯誤地連接有關(guān)；其次，來自老年卵母細(xì)胞的二價體更容易分裂成單獨的染色體，稱為單價體，一對單價體可以以不協(xié)調(diào)的方式分離，也可能導(dǎo)致非整倍性［2］。單價體的著絲粒強烈偏向于雙極微管附著，由于同源染色體的著絲粒之間的張力損失，單極微管與姐妹染色單體的著絲粒的連接無法穩(wěn)定，而雙極連接可以通過姐妹染色染色單體著絲粒之間的張力穩(wěn)定；另外，與年齡相關(guān)的姐妹染色染色單體著絲粒的內(nèi)聚力的喪失可能會破壞 MⅠ特定的姐妹染色染色單體著絲粒幾何結(jié)構(gòu)［12］。綜合這些發(fā)現(xiàn)，我們認(rèn)為在人類卵母細(xì)胞 MⅠ 期間，二價體過早分離為單價體是導(dǎo)致年齡相關(guān)分離錯誤的主要原因。

3 減數(shù)分裂過程中的性別特異性差異

如上所述，對臨床認(rèn)可的妊娠的研究表明，大多數(shù)人類非整倍體是母系來源的這就引出了一個問題：為什么女性減數(shù)分裂如此容易出錯？Hunt、Hassold［13］認(rèn)為男性的粗線期檢查點機制較女性更為嚴(yán)格，減數(shù)分裂期間性染色體活性的差異可能是兩性差異的基礎(chǔ)。在小鼠中，減數(shù)分裂前期的聯(lián)會缺陷在雄性中幾乎總是導(dǎo)致精母細(xì)胞死亡，無論是在粗線期還是在第一次減數(shù)分裂的中期，而雌性在面臨許多導(dǎo)致雄性完全減數(shù)分裂停滯和不育的突變時卻仍保持生育能力，盡管它們的生殖壽命可能會大大縮短［13］。此外，如前面所述，精子發(fā)生和卵子發(fā)生之間最明顯的差異發(fā)生在粗線期之后：雄性配子在減數(shù)分裂的其余部分快速進行，但卵母細(xì)胞在前期Ⅰ停滯數(shù)周至數(shù)月（在小鼠）或數(shù)十年（在人類）。研究證實，在胎兒發(fā)育過程中加載到染色體上的黏連蛋白對于調(diào)節(jié)完全成熟的卵母細(xì)胞的內(nèi)聚力是必要的和足夠的，凝聚力的喪失是產(chǎn)婦年齡效應(yīng)另一個原因［14-15］。具體來說就是50 歲女性卵母細(xì)胞中的染色體分離可能依賴于 50 歲的黏附蛋白復(fù)合物，所以隨著年齡的增加減數(shù)分裂時染色體的錯誤概率分配隨著增加。另外，最近的研究還發(fā)現(xiàn)，精母細(xì)胞和卵母細(xì)胞對中期染色體行為紊亂的反應(yīng)能力也是不同的［16］。在雄性小鼠中，這種反應(yīng)是強烈的，減數(shù)分裂中期Ⅰ二價體提前分裂為單價體是不能通過紡錘體組裝檢查點 （spindle assembly checkpoint， SAC） ，會導(dǎo)致初級精母細(xì)胞的中期 Ⅰ停滯和死亡；相比之下，卵母細(xì)胞的第一次減數(shù)分裂的 SAC 控制，就如上面敘述的粗線期檢查點機制一樣，似乎在雌性中效率相對較低［16］。然而，重要的是，雖然第一次減數(shù)分裂時的雙極附著可能會避開SAC，但在減數(shù)分裂Ⅰ期間姐妹染色單體的過早分離使得第二次減數(shù)分裂時的非整倍體發(fā)生。

4 染色體非整倍性改變的其他效應(yīng)

卵母細(xì)胞在發(fā)育過程中的長期停滯會造成高風(fēng)險的 DNA 損傷。Goldmann 等［17］通過分析 1 291個親代三人組的基因組序列發(fā)現(xiàn)母體染色體中聚集的從頭突變的數(shù)量隨著母親年齡的增長而增加，母體成簇的從頭突變主要集中在第8、9、16號染色體，可能由母體卵母細(xì)胞中的DNA雙鏈斷裂引起。除了減數(shù)分裂，有絲分裂也會產(chǎn)生染色體錯誤分離的子細(xì)胞，染色體錯誤分離本身可以通過更多方式改變基因組，而不僅僅是導(dǎo)致染色體的增加或丟失。在異常的有絲分裂中，錯誤分離的染色體經(jīng)常在后期滯后，并可能在細(xì)胞分裂期間被困在分裂溝中并被損壞，斷裂的染色體引起DNA損傷反應(yīng)，在細(xì)胞周期G1期，它們通過非同源端連接進行修復(fù)，可能（但不總是）導(dǎo)致易位和缺失［18］。此外，落后的染色體有時也不能及時趕上其他染色體而并入重組細(xì)胞核，形成微核，微核中的DNA損傷水平很高，而這種損傷的修復(fù)會導(dǎo)致廣泛的DNA重排［19］。

細(xì)胞的非整倍性改變還會導(dǎo)致腫瘤抑制基因的缺失和癌基因的獲得，從而導(dǎo)致癌癥的發(fā)生［20］。例如，染色體分離錯誤會導(dǎo)致 p53激活，這可能是由多種機制造成的：（1）被困在細(xì)胞質(zhì)溝中的染色體受損并導(dǎo)致 DNA 損傷檢查點通路的激活，從而激活 p53；（2）非整倍體本身通過未知機制導(dǎo)致 p53到 p38 的激活；（3）非整倍體會導(dǎo)致代謝變化，進而導(dǎo)致活性氧 （ROS） 增加，ROS 激活 DNA 損傷檢查點激酶共濟失調(diào)毛細(xì)血管擴張突變 （ATM），進而激活 p53；（4）長時間的分裂停滯導(dǎo)致 p53 激活，當(dāng)細(xì)胞在前中期停滯超過 1.5 h時，細(xì)胞會在從前中期阻斷釋放時激活 p53［20］。

5 小結(jié)

人類非整倍體的起源是一個多步驟的過程，母親年齡的影響加上多次不同的“打擊”，共同增加了卵子出錯的頻率。女性胎兒卵巢中由于減數(shù)分裂前期Ⅰ的長期停滯導(dǎo)致了非整倍體的形成； 分裂過程中有效檢查點的缺乏；環(huán)境影響也在卵子發(fā)育的幾個不同階段起作用，從而增加了出錯的可能性［21］。綜上所述，目前我們面臨的挑戰(zhàn)是將這些知識轉(zhuǎn)化為改進診斷和治療，使婦女能夠?qū)ζ渖辰】底鞒鲋檫x擇。目前隨著人類壽命的延長，女性受教育年限的增長，女性對生殖能力和生育年齡的需求越來越高。因此，在未來，制定改善卵母細(xì)胞遺傳質(zhì)量的干預(yù)措施，探討與女性生殖功能停止相關(guān)的生育和健康問題等方面都是我們需要努力的方向。