哺乳动物单精受精是有性生殖中一个复杂并受到精密调控的生物学过程，要求单倍体精子与卵子之间完成一系列有序的相互作用来创造新的二倍体生命。动物精子穿过雌性生殖道，在输卵管的壶腹部与成熟卵子相遇，识别、结合、穿透卵子透明带，最终进入卵周隙与卵子质膜融合，完成受精。受精后，卵子质膜和透明带都发生变化，使得其他精子不能再与卵子受精，有效防止多精受精和多倍体胚胎的形成 [1]。在人类中，尽管有三倍体和四倍体婴儿出生的报道，但这种婴儿通常伴随严重的发育缺陷，最终夭折。辅助生殖临床治疗中，体外受精过程存在大约10%的多精受精率，容易产生三原核胚胎，导致后续胚胎发育阻滞或流产 [2, 3]。与其他动物相比，猪的多精受精率很高，体内多精受精率可达到30%-40%，而体外多精受精率可超过65%，严重限制了猪体外受精技术和体外胚胎生产的应用 [4]。为了防止多精受精，哺乳动物的卵子在受精后触发了三种机制：1）卵子质膜上的精子受体蛋白Juno迅速消失，使得其他精子不再与卵子质膜发生融合 [5]；2）卵子透明带发生硬化，阻止正在穿透透明带的精子继续进入卵子；3）卵子释放皮质颗粒成分Ovastacin，切割透明带中的精子结合位点，导致其他精子不能识别与结合卵子 [6, 7]。第一种和第三种防止多精受精的分子机制已有初步认识，但关于第二种的分子基础仍不明确。
2022年1月11日，南京农业大学动物科技学院熊波课题组在《Cell Death and Differentiation》上发表题为“Transglutaminase 2 crosslinks zona pellucida glycoprotein 3 to prevent polyspermy”的研究论文，揭示和阐明了谷氨酰胺转胺酶2（Transglutaminase 2, Tgm2）在受精后诱发哺乳动物卵子透明带硬化以防止多精受精和多倍体胚胎形成的功能和作用机制。
该研究中，通过对卵子透明带蛋白进行免疫沉淀实验结合质谱分析，作者发现一种能够催化蛋白交联的酶Tgm2，与透明带蛋白存在相互作用。Tgm2在卵母细胞的皮层下大量积累，并于受精后发挥功能。体外抑制Tgm2活性或体内敲除Tgm2均导致受精卵的卵周隙出现多余的精子，并形成多倍体胚胎，造成囊胚率下降和动物产仔数减少。体外生化实验显示，重组Tgm2蛋白可以结合并交联透明带蛋白3（zona pellucida 3, ZP3），从而改变透明带的硬化程度。另外，作者利用重组Tgm2蛋白处理卵子能够有效抑制体外受精中多精受精现象的发生。这些研究结果表明，Tgm2是一个新的参与阻止多精受精的分子。
综上，作者从遗传、细胞和生化角度提供证据解析了Tgm2通过交联透明带蛋白诱导透明带硬化进而防止多精受精的独特生物学功能，不仅拓展了对现有卵子质膜和透明带阻止多精受精机制的认知，同时也为改进人类和家畜的体外受精技术，以及开发非激素类避孕药物提供了新靶点和新思路。
南京农业大学动物科技学院博士生崔兆康、已毕业博士卢亚娟、师资博士后苗义龙为该研究的共同第一作者，熊波教授为通讯作者，在读博士生张玉、已毕业博士代小新也参与了该研究。
该文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41418-022-00933-0
参考文献:
1. Bianchi, E. and G.J. Wright, Sperm Meets Egg: The Genetics of Mammalian Fertilization. Annu Rev Genet, 2016. 50: p. 93-111.
2. van der Ven, H.H., et al., Polyspermy in in vitro fertilization of human oocytes: frequency and possible causes. Ann N Y Acad Sci, 1985. 442: p. 88-95.
3. Boyers, S.P., et al., The effect of polyploidy on embryo cleavage after in vitro fertilization in humans. Fertil Steril, 1987. 48(4): p. 624-7.
4. Romar, R., H. Funahashi, and P. Coy, In vitro fertilization in pigs: New molecules and protocols to consider in the forthcoming years. Theriogenology, 2016. 85(1): p. 125-34.
5. Bianchi, E., et al., Juno is the egg Izumo receptor and is essential for mammalian fertilization. Nature, 2014. 508(7497): p. 483-7.
6. Burkart, A.D., et al., Ovastacin, a cortical granule protease, cleaves ZP2 in the zona pellucida to prevent polyspermy. J Cell Biol, 2012. 197(1): p. 37-44.
7. Xiong, B., et al., A Unique Egg Cortical Granule Localization Motif Is Required for Ovastacin Sequestration to Prevent Premature ZP2 Cleavage and Ensure Female Fertility in Mice. PLoS Genet, 2017. 13(1): p. e1006580.
当前位置: