多核小鼠精母细胞在缺乏纺锤体极簇集运动蛋白KIFC1或胞质分裂的情况下完成减数分裂形成单细胞晚期精子细胞

本文揭示小鼠睾丸中存在正常多倍体精母细胞亚群，其缺乏纺锤体极簇集运动蛋白KIFC1，但仍能通过独特的减数分裂纺锤体表型完成染色体分离，并在不进行胞质分裂的情况下形成具有精子发生关键特征的多核精子细胞，展现了睾丸在分化后的显著可塑性。

　　

多核精母细胞的鉴定与分类

研究团队通过应用睾丸曲细精管“压片”技术以及温和酶解分离法，从固定的小鼠睾丸组织中成功分离出完整的多倍体精母细胞和精子细胞。在分析的1,194个细胞中，共鉴定出264个多核精母细胞或精子细胞，占比22%。这些多核细胞并非罕见。根据细胞直径、核数目以及中心体数量等参数，研究者将多核初级精母细胞主要分为两类：一类是小型双核精母细胞（细胞直径约12-13微米，占多核细胞的16%），推测源于精原细胞有丝分裂时的胞质分裂失败；另一类是大型双核及三核精母细胞（细胞直径多大于20微米，占多核细胞的61%和20%），推测由通过胞间桥相连的精原细胞发生细胞融合所致。

独特的减数分裂I期纺锤体表型

研究的关键发现在于多核初级精母细胞能够进入并完成减数分裂I前期的关键事件，包括同源染色体配对、DNA交叉以及第一次中心体复制。然而，在中期I，它们组装出不同于正常单核精母细胞单极纺锤体的多种独特纺锤体表型。

• •
  小型双核精母细胞：形成多极纺锤体，具有四个独立的纺锤体极，染色体组在纺锤体中央混合对齐。
• •
  大型双核及三核精母细胞：则能组装出更为复杂的纺锤体，包括：独立的双纺锤体、共享一个极的三极纺锤体、背对背纺锤体（大型双核），以及独立的三纺锤体、共享极的多面体状纺锤体（三核）。重要的是，每个纺锤体极都有中心体双倍体定位，且染色体在各自的纺锤体赤道面上独立对齐，并不混合。

缺乏KIFC1是纺锤体极簇集失败的关键原因

与许多具有中心体扩增的癌细胞不同，多核精母细胞的扩增中心体很少聚集形成典型的双极纺锤体。深入研究发现，这与其缺乏关键的微管马达蛋白KIFC1（Kinesin-14）密切相关。KIFC1在癌细胞中对于将超数中心体簇集到两个纺锤体极以避免多极分裂和细胞死亡至关重要。免疫荧光染色证实，尽管其他纺锤体相关蛋白如Eg5（Kinesin-5）和NuMA在多核精母细胞纺锤体中正常存在，但KIFC1却未被检测到。对小鼠精子发生单细胞RNA-seq数据库的分析进一步支持了这一发现，该数据库显示在精母细胞群体中TACC3 mRNA表达丰富，而KIFC1 mRNA的表达量极低。因此，KIFC1的缺失可能是多核精母细胞无法有效簇集纺锤体极的主要原因。

减数分裂胞质分裂的连续失败

研究观察到，多核初级精母细胞能够完成减数分裂I的核分裂（核裂），形成多个中体/胞间桥，但均未能发生胞质分裂。这些细胞随后进入分裂间期，并进行第二次中心体复制。在减数分裂II期，它们同样能组装多个双极纺锤体，并完成染色体分离，但再次失败于胞质分裂。最终，这些细胞直接产生多核的圆形精子细胞，其核数目与原始初级精母细胞的核数目成比例（例如，双核初级精母细胞产生四核精子细胞，三核初级精母细胞产生约十二核的精子细胞）。

多核精子细胞的精子发生过程

令人惊讶的是，这些多核精子细胞似乎能够继续进行精子形成过程中的关键细胞分化事件。研究发现它们能够：

• •
  组装精子轴丝：在核基底部可见早期精子轴丝的组装。
• •
  形成顶体帽：在核的前端可观察到微管标记的顶体帽结构。
• •
  中心体与核结合：中心体能够正确地锚定在核膜上，形成植入窝。
• •
  组装临时性manchette微管结构：在 elongating spermatids (ELSP) 阶段，可观察到用于核成形的manchette微管结构。
• •
  与支持细胞（Sertoli cell）关联：多核精子细胞能够与Sertoli细胞形成细胞质连接，并进入疑似精子释放（spermiation）的早期阶段。

结论与意义

本研究证实，多核精母细胞和精子细胞是正常小鼠睾丸细胞群中的一个可识别的亚群，它们可能源于精原细胞增殖错误（胞质分裂失败或细胞融合）或正常精母细胞的减数分裂胞质分裂失败。尽管缺乏KIFC1且具有扩增的中心体和独特的纺锤体表型，这些多倍体细胞仍能突破严格的细胞周期监控，完成减数分裂染色体分离，并启动精子发生关键步骤。这表明睾丸在配子发生过程中具有显著的可塑性。这些发现不仅增进了对哺乳动物精子发生基础生物学的理解，揭示了在特定条件下生殖细胞对异常核构成的耐受性，也为研究细胞周期控制、中心体生物学以及开发新型男性避孕靶点提供了新的视角。