Aurora激酶A調(diào)控卵母細(xì)胞減數(shù)分裂的分子機(jī)制

劉 鳳，姚 波，莫曉龍，柳瓊友，任艷萍

遵義醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院組織胚胎學(xué)教研室，貴州遵義 563000

Aurora激酶(aurora kinase，AURK)是廣泛分布在真核生物體內(nèi)、進(jìn)化高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶家族，包括AURKA、AURKB和AURKC 3種亞型，其中，AURKA參與有絲分裂進(jìn)入、中心體成熟和分離、雙極紡錘體組裝和穩(wěn)定、染色體的濃集和中板的聚合以及染色體的正確分離[1- 2]。有文獻(xiàn)指出，AURKA在減數(shù)分裂過程中發(fā)揮的作用與有絲分裂類似[3]，但其具體作用機(jī)制以及其與有絲分裂的異同尚不清楚。因此本文將從AURKA在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂中定位與活化，及其在調(diào)控紡錘體形成、紡錘體組裝檢查點(diǎn)(spindle assembly checkpoint，SAC)活化以及動粒-微管附著糾錯(cuò)這幾個(gè)方面，探討AURKA在卵母細(xì)胞紡錘體組裝和染色體分離中的作用機(jī)制。

AURKA在有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂中定位的異同

在體細(xì)胞中，AURKA的信使RNA及蛋白水平在G1期最低，S期逐漸升高，G2/M期增至最高，M期結(jié)束后迅速下降，表明其表達(dá)呈現(xiàn)周期依賴性[4- 5]。在有絲分裂過程中，AURKA于S晚期定位于復(fù)制的中心體，阻止中心體的再次復(fù)制，促進(jìn)中心體的成熟與分離；G2期隨著復(fù)制的中心體移向細(xì)胞兩極；有絲分裂前期，隨著核膜破裂，AURKA在中心體及其附近微管上快速增加并調(diào)控紡錘體的形成和染色體分離；直到后期，隨著染色體分離，AURKA定位在紡錘體兩極，也定位在紡錘體中間區(qū)域，參與中央紡錘體的組裝[6]；有絲分裂結(jié)束并退出時(shí)，AURKA分布于子細(xì)胞核附近[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，AURKA蛋白在小鼠卵母細(xì)胞中高表達(dá)，其表達(dá)量在生發(fā)泡(germinal vesicle，GV)期和第2次減數(shù)分裂中期(MⅡ期)卵母細(xì)胞中較高，在其他減數(shù)分裂成熟階段保持穩(wěn)定[8]。在卵母細(xì)胞成熟過程中，AURKA在不同階段的定位不同。GV期，AURKA主要富集在染色體周圍，均勻分布在生發(fā)泡中[9]；生發(fā)泡破裂(germinal vesicle breakdown，GVBD)期，AURKA凝聚在染色質(zhì)周圍；第1次減數(shù)分裂前中期(pre-MI)和第1次減數(shù)分裂中期(MI期)，AURKA定位于紡錘體兩極，調(diào)控紡錘體微管動力學(xué)和染色體排列[10]；從第1次減數(shù)分裂后期(AI期)到第1次減數(shù)分裂末期(Tel I期)，AURKA隨著姐妹染色單體分離而逐漸向兩極移動；到MII期，AURKA則在排出的第一極體及卵母細(xì)胞紡錘體上均有富集[11]。

由上可知，在有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂早期和中期，AURKA均在紡錘體兩極有定位，表明在上述時(shí)期，AURKA在卵母細(xì)胞紡錘體兩極處可能發(fā)揮與有絲分裂紡錘體兩極處類似的功能。然而在卵母細(xì)胞的兩次減數(shù)分裂后期，AURKA仍僅定位于紡錘體兩極，這與在有絲分裂后期，AURKA定位于紡錘體兩極以及赤道板中間區(qū)域有所不同。該現(xiàn)象預(yù)示著AURKA在有絲分裂和減數(shù)分裂后期中的功能可能有所差別。

AURKA的活化

有絲分裂紡錘體組裝很大程度上依賴中心體，在核膜破裂時(shí)，中心體生成的微管被姐妹染色體的動粒捕捉，形成雙極紡錘體。AURKA調(diào)控紡錘體的組裝已在果蠅[12]、線蟲[13]和非洲爪蟾卵提取物[14]中得到證實(shí)。研究已經(jīng)證明，AURKA通過作用于Ran GTPase信號通路的下游，參與有絲分裂中的紡錘體組裝[14- 15]。Ran GTPase通過從importion α/β中釋放爪蟾類驅(qū)動蛋白靶向蛋白2(targeting protein for Xenopus kinesin-like protein 2，TPX2)，與AURKA結(jié)合，致使AURKA發(fā)生自身磷酸化，進(jìn)而被激活[16]。TPX2 RNAi介導(dǎo)的AURKA失活可破壞有絲分裂雙極紡錘體的組裝[17]。因此，Ran GTPase介導(dǎo)的TPX2激活A(yù)URKA對于有絲分裂紡錘體形成至關(guān)重要。

在卵母細(xì)胞中，紡錘體形成依賴于微管組織中心的自我組裝。GVBD期，微管組織中心(microtubule organizing centres，MTOCs)中Ran GTPase大量增加，與有絲分裂相同，卵母細(xì)胞中Ran GTPase同樣具有釋放TPX2的功能[18]。敲除TPX2會導(dǎo)致AURKA在紡錘體極處的定位信號消失，紡錘體形態(tài)出現(xiàn)異常，如無紡錘體、單極紡錘體、紡錘體過度拉長或紡錘體組裝異常等等[19- 20]。在小鼠[21]和線蟲[13]卵母細(xì)胞中，通過抑制AURKA活性導(dǎo)致紡錘體形態(tài)出現(xiàn)同樣異常表型。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂中，Ran GTPase同樣通過介導(dǎo)TPX2的釋放，激活MTOCs上AURKA激酶活性，以此調(diào)控紡錘體的裝配[22]。

除了TPX2之外，Bora也可以激活A(yù)URKA。在有絲分裂中，AURKA可與Bora相互作用，而發(fā)生磷酸化，激活A(yù)URKA活性[23]。Hutterer等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Bora突變可導(dǎo)致AURKA活性減弱，且Bora可激活被蛋白磷酸酶1失活的AURKA。過量表達(dá)Bora可以挽救突變造成的AURKA活性下降、染色體定位缺陷和中心體成熟缺陷，但若AURKA突變導(dǎo)致其活性完全喪失，則不能被過量表達(dá)的Bora挽救突變造成的后果。以上結(jié)果表明，在有絲分裂中Bora是AURKA的激活劑。在卵母細(xì)胞中，抗體抑制Bora可導(dǎo)致AURKA在紡錘體的定位消失，紡錘體形成缺陷和染色體排列不齊，致使卵母細(xì)胞停滯在pre-MI/MI期[25]。Bora的基因敲除引起的AURKA活性減弱，致使有絲分裂中期停滯延長，同源染色體分離推遲[26]。因此，在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中Bora也是AURKA活化所需的。

因此，在卵母細(xì)胞中，Ran GTPase通過釋放TPX2介導(dǎo)AURKA的活化；此外，AURKA活化也需要Bora。這與體細(xì)胞有絲分裂中AURKA活化的分子機(jī)制基本相同。

AURKA調(diào)控紡錘體組裝

在體細(xì)胞中，紡錘體組裝很大程度上依賴于中心體成核，在中心體具備成核能力前，需要經(jīng)歷一個(gè)成熟階段。在這一成熟過程中，AURKA通過招募大量γ-微管環(huán)形復(fù)合物(γ-tubulin ring complex，γ-TuRC)和中心粒周圍物質(zhì)(pericentriolar material，PCM)到中心體上，促使中心體成熟與分離[27]。抑制AURKA導(dǎo)致中心體成熟與分離缺陷，形成單極紡錘體[28]。AURKA的具體調(diào)控機(jī)制為：AURKA通過招募一個(gè)高度保守的轉(zhuǎn)化型酸性螺旋卷曲蛋白家族(transforming acidic coiled-coil proteins，TACC)到中心體，TACC與高度保守的微管聚合酶XMAP215(ch-TOG/XMAP215)的蛋白家族成員相互作用，將ch-TOG/XMAP215裝載到紡錘體微管，以此對抗有絲分裂著絲粒相關(guān)驅(qū)動蛋白(mitotic centromere-associated kinesin,MCAK)和非洲瓜蟾驅(qū)動蛋白突變調(diào)節(jié)劑- 1(xenopus kinesin catastrophe modulator- 1，XKCM1)的作用[29]，最終形成穩(wěn)定的中心體微管。與此同時(shí)，AURKA也可以直接磷酸化MCAK來影響雙極紡錘體形成[30]。因此，在有絲分裂中AURKA可調(diào)控中心體紡錘體組裝。

在大多數(shù)雌性哺乳動物卵母細(xì)胞中無中心粒，其紡錘體的形成不同于體細(xì)胞的有絲分裂進(jìn)程。卵母細(xì)胞紡錘體組裝依賴于凝聚染色體周圍的微管自發(fā)成核，形成多個(gè)微管組織中心，在功能上取代中心體完成紡錘體組裝[31]。在卵母細(xì)胞紡錘體組裝過程中，多個(gè)MTOCs先破碎成大量的小MTOCs碎片，然后再合并成兩個(gè)相等的紡錘體極[32]。MTOCs雖然無中心粒，但含有中心粒周圍物質(zhì)成分，包括γ-微管(γ-tubulin)和中心粒周蛋白(pericentrin，PCNT)[9]。在卵母細(xì)胞中，AURKA與MTOCs主要蛋白γ-微管[33]和PCNT[34]共定位于紡錘體兩極，提示AURKA可能與MTOCs調(diào)控紡錘體組裝相關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，AURKA是一個(gè)關(guān)鍵的MTOCs相關(guān)成分，整個(gè)減數(shù)分裂期間AURKA與MTOCs共定位，在長時(shí)間的卵母細(xì)胞減數(shù)分裂前期停滯恢復(fù)后，AURKA通過招募γ-微管和PCNT觸發(fā)微管成核[35- 36]，驅(qū)動MTOCs介導(dǎo)紡錘體組裝[37]。抑制劑抑制AURKA導(dǎo)致MTOCs的大小和數(shù)量減少，微管成核的啟動延遲[9]?；蚯贸鼳URKA，小鼠卵母細(xì)胞中γ-微管與中心蛋白的共定位信號消失，集聚的MTOCs分離[11，38]。Ding等[8]實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在MI卵母細(xì)胞中，小干擾RNA干擾AURKA導(dǎo)致MTOCs在兩極的定位發(fā)生紊亂，分散于紡錘體周圍區(qū)域。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，AURKA是MTOCs介導(dǎo)紡錘體形成所必需的。

由上可知，雖然在有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂紡錘體形成過程中，二者的紡錘體極分別通過中心體和MTOCs介導(dǎo)成核，成核的途徑和過程有所不同，但二者的成核過程均離不開AURKA的參與。有絲分裂過程中，AURKA通過TACC-ch-TOG/XMAP215途徑，招募γ-微管和PCNT，介導(dǎo)中心體成核；在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，AURKA同樣可以招募γ-微管和PCNT，介導(dǎo)MTOCs成核。但在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，AURKA是通過何種途徑招募γ-微管和PCNT尚不可知。

AURKA維持紡錘體組裝檢查點(diǎn)活性

動粒-微管的精確附著是調(diào)控染色體正確分離的關(guān)鍵，SAC是一種監(jiān)視機(jī)制，在雙極紡錘體組裝過程中監(jiān)控動粒與微管附著[39]。在體細(xì)胞動粒-微管正確附著前，SAC抑制后期促進(jìn)復(fù)合物/環(huán)體(anaphase-promoting complex/cyclosome，APC/C)活性，致使分離酶被保全素(securin)抑制，染色體無法分離，SAC將細(xì)胞阻滯在中期。一旦所有的動粒均連接到微管上，SAC沉默，紡錘體檢查點(diǎn)上的有絲分裂阻滯缺陷蛋白2(mitotic arrest-deficie protein 2，MAD2)對細(xì)胞周期蛋白20(cell division cycle 20，Cdc20)的抑制被解除，Cdc20結(jié)合并激活A(yù)PC/C，活化的APC/C泛素化降解細(xì)胞周期蛋白B(cyclin B)和保全素。失去保全素的抑制作用，水解酶觸發(fā)染色體發(fā)生分離，細(xì)胞進(jìn)入后期[40- 41]。人類體細(xì)胞中，SAC信號的有絲分裂檢查點(diǎn)復(fù)合體由MAD2、BubR1、Bub3、Cdc20蛋白組成，MAD2存在于未與微管發(fā)生附著的動粒上[42]。已有研究表明，在pre-MI期，活化的AURKA維持MAD2處于非附著動粒以及維持SAC的功能正常。抑制AURKA導(dǎo)致MAD2從動粒上移除，SAC失活，致使姐妹染色單體過早分離，產(chǎn)生非整倍體[43]。在人腫瘤細(xì)胞中使用AURKA特異性抑制劑MLN8045抑制AURKA活性，導(dǎo)致部分紡錘體極中心體缺失、染色體排列紊亂、后期染色體遲滯以及染色體非整倍率上升[44]。

在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)程中，MAD2位于pre-MI期卵母細(xì)胞的著絲粒上，一旦卵母細(xì)胞進(jìn)入MI期，所有染色體排列在紡錘體赤道板處，MAD2在著絲粒上的信號消失[45- 46]。在動粒-微管正確附著前，AURKA通過招募MAD2到卵母細(xì)胞動粒上，發(fā)揮防止APC/C活化、維持SAC活性的作用。抑制AURKA導(dǎo)致MAD2提前從動粒區(qū)域移除[47]，染色體過早進(jìn)入后期，表明抑制AURKA會擾亂MAD2的定位，進(jìn)而導(dǎo)致SAC失活[48- 49]。

由上可知，在有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂中，AURKA均是保持SAC活性、調(diào)控染色體正確分離所必須的，其功能異?？蓪?dǎo)致姐妹染色單體過早分離，染色體非整倍率上升。

AURKA調(diào)控動粒-微管正確附著

動粒-微管的精確連接是調(diào)控染色體正確分離的關(guān)鍵。染色體準(zhǔn)確分離依賴于動粒-微管之間的核分裂周期蛋白80 (nuclear division cycle 80，NDC80)復(fù)合體[50]。NDC80復(fù)合體的主要成分動粒蛋白Hec1是AURKA的靶因子之一，也是產(chǎn)生穩(wěn)定的動粒-微管附著的主要?jiǎng)恿５鞍?。在有絲分裂中，當(dāng)錯(cuò)誤的動粒-微管附著體靠近紡錘體極時(shí)，AURKA通過磷酸化染色體上的Hec1來破壞附著體的穩(wěn)定性[51]。而抑制AURKA活性后，錯(cuò)誤附著體在近紡錘體極區(qū)域仍可保持穩(wěn)定，致使染色體分離錯(cuò)誤率上升，這表明AURKA在體細(xì)胞紡錘體極附近有較高的活性，可以破壞錯(cuò)誤附著體的穩(wěn)定性，以確保染色體的準(zhǔn)確分離[47]。

Cairo等[52]研究發(fā)現(xiàn)，AURKA在卵母細(xì)胞中也有類似的功能。前期至前中期，紡錘體極附近AURKA選擇性地高水平磷酸化錯(cuò)誤附著體Hec1，以破壞錯(cuò)誤附著體的穩(wěn)定性；在中期，AURKA維持低水平且持續(xù)的磷酸化水平，既有利于正確的動粒-微管附著的穩(wěn)定性，也有利于染色體整齊地排列在赤道板上[53]。研究發(fā)現(xiàn)，AURKA在中期介導(dǎo)的動粒底物磷酸化至少有兩種機(jī)制：一種是內(nèi)著絲粒蛋白(inner centromere protein，INCENP)招募AURKA到著絲粒區(qū)域，進(jìn)而磷酸化Hec1，破壞錯(cuò)誤附著體的穩(wěn)定性，這不依賴染色體到紡錘體極的距離[53]。另一種是錯(cuò)誤附著體染色體對的動粒缺乏張力[54]，并被拉向其中一個(gè)紡錘極附近，隨后被該區(qū)域的AURKA磷酸化，破壞其穩(wěn)定性[51]。與有絲分裂相類似，在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂后期，AURKA也開始降解，這樣既有利于形成穩(wěn)定的動粒-微管連接來驅(qū)動染色體分離，又有利于防止正確的動粒-微管附著體在后期接近紡錘體極時(shí)被破壞[55]。

由上可知，在有絲分裂和減數(shù)分裂進(jìn)程中，位于紡錘體極處的AURKA均可選擇性地破壞動粒-微管錯(cuò)誤附著體，以允許形成新的附著體，確保中期染色體動粒-微管的正確附著，驅(qū)使染色體整齊地排列在赤道板上。AURKA功能異常均可導(dǎo)致動粒-微管錯(cuò)誤附著致使染色體分離錯(cuò)誤以及產(chǎn)生非整倍體卵母細(xì)胞。

總結(jié)與展望

本文從AURKA在體細(xì)胞有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂中的細(xì)胞定位、活化機(jī)制以及在調(diào)控紡錘體形成、SAC活化、動粒-微管附著糾錯(cuò)中的作用方面展開綜述，發(fā)現(xiàn)AURKA在體細(xì)胞有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)程中的作用基本相同，如均定位于紡錘體兩極，均可被TPX2以及Bora激活，均可介導(dǎo)紡錘體極的成核、SAC活化以及動粒-微管附著糾錯(cuò)。但與有絲分裂AURKA參與紡錘體組裝調(diào)控機(jī)制方面的研究相比，卵母細(xì)胞減數(shù)分裂進(jìn)程中AURKA的作用機(jī)制仍不夠透徹，如在有絲分裂過程中，AURKA通過TACC-ch-TOG/XMAP215途徑，招募γ-微管和PCNT，介導(dǎo)中心體成核。然而在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，AURKA是通過何種途徑招募γ-微管和PCNT介導(dǎo)MTOCs成核的尚不可知。此外，在有絲分裂后期，AURKA在赤道板中間區(qū)有定位信號，而類似的信號并未在卵母細(xì)胞的兩次減數(shù)分裂后期出現(xiàn)，這表明，在有絲分裂和卵母細(xì)胞減數(shù)分裂之間AURKA的功能并不完全相同，AURKA在卵母細(xì)胞減數(shù)分裂后期赤道板中間區(qū)的作用可能被其他因子所替代，具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上，近年來一些學(xué)者開始對AURKs家族中AURKB和AURKC的功能產(chǎn)生興趣并開展研究，但兩者的功能尚未被系統(tǒng)闡明。以上問題均有待于進(jìn)一步研究，以揭示細(xì)胞分裂調(diào)控機(jī)制，并為癌癥和生殖等相關(guān)臨床研究奠定理論基礎(chǔ)。