《Nature Aging》：Oocyte-specific OMC1 is required for maintaining chromosome cohesion through reproductive life
编辑推荐：
在哺乳动物中，卵母细胞在胎儿发育期间启动减数分裂（meiosis），随后进入一段长期的减数分裂停滞期。在这种雌性特有的长期停滞期间，由不可更新的REC8黏连蛋白（cohesin）介导的染色体粘连（chromosome cohesion）逐渐恶化，使卵母细胞在成
在哺乳动物中，卵母细胞在胎儿发育期间启动减数分裂（meiosis），随后进入一段长期的减数分裂停滞期。在这种雌性特有的长期停滞期间，由不可更新的REC8黏连蛋白（cohesin）介导的染色体粘连（chromosome cohesion）逐渐恶化，使卵母细胞在成年后恢复减数分裂成熟时易发生与年龄相关的染色体分离错误。对抗这种恶化的雌性特异性因子仍然未知。研究人员在此将OMC1鉴定为一种卵母细胞特异性染色体蛋白，是生殖寿命期间维持染色体粘连所必需的。OMC1从胎儿阶段至成年减数分裂成熟期间均与含有REC8-黏连蛋白的染色体轴（chromosome axis）结合。利用Omc1基因敲除（knockout, KO）小鼠，研究人员证明OMC1是维持黏连蛋白直至减数分裂完成所必需的，从而抑制与年龄相关的染色体分离错误。这些发现揭示了雌性生殖细胞固有的分子基础，通过抑制导致卵母细胞非整倍体（aneuploidy）的年龄相关染色体粘连丧失来支持生殖寿命，而非整倍体是不孕和先天性疾病的主要原因。
在哺乳动物中，减数分裂（meiosis）表现出显著的性别二态性。雄性生殖细胞在整个成年期持续进入减数分裂，而雌性卵母细胞仅在胎儿卵巢发育期间启动一次减数分裂。转录激活因子STRA8与MEIOSIN协同驱动减数分裂程序，并建立含REC8的减数分裂特异性黏连蛋白（cohesin），介导姐妹染色单体粘连（chromosome cohesion）。减数分裂前期结束后，胎儿卵母细胞进入雌性特有的长期停滞期——网状期（dictyate stage），在小鼠中持续数周至数月，在人类中长达数十年。由于此期间不发生DNA复制，染色质上的REC8黏连蛋白无法更新，因此胎儿期建立的同一套黏连蛋白必须支持成年后减数分裂恢复时的染色体分离。年龄相关的粘连退化导致卵母细胞染色体错误分离和非整倍体（aneuploidy），是不孕和先天性疾病的重要原因。但是，对抗这种退化的雌性特异性因子此前尚不明确。为此，研究人员开展了本研究，旨在鉴定卵母细胞中维持染色体粘连的关键因子。相关论文发表在《Nature Aging》。
主要技术方法：研究人员利用已发表的小鼠单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq）数据集（包括胎儿卵母细胞和幼年睾丸生殖细胞，以及Stra8ΔLXCXE突变体），结合光解化学分离（photoisolation chemistry, PIC）的卵母细胞转录组分析，鉴定候选基因。通过CRISPR-Cas9系统构建Omc1基因敲除（knockout, KO）小鼠。采用免疫荧光染色、免疫金电子显微镜、原位邻近连接分析（proximity ligation assay, PLA）、TRIM-Away急性蛋白耗竭、活细胞成像、体外受精（in vitro fertilization, IVF）等手段分析OMC1定位、染色体粘连动态及功能。小鼠遗传背景为C57BL/6N；人类早绝经关联数据来自已发表的基因组关联研究（GWAS）。
研究结果分述如下：
1. 鉴定Omc1为卵母细胞特异性基因：通过比较胚胎卵母细胞与幼年精原细胞的scRNA-seq数据，研究人员筛选出雌性特异性表达的候选基因Ccdc201。该基因在减数分裂前期晚期表达上调，并在胚胎18.5天（E18.5）达峰；其表达在Stra8ΔLXCXE突变卵母细胞中显著降低。PIC和生发泡（germinal vesicle, GV）卵母细胞转录组分析证实该基因在成年卵母细胞中仍表达，且呈卵母细胞特异性。根据其定位特征，将其命名为OMC1（oocyte-specific meiotic chromosome protein 1，卵母细胞特异性减数分裂染色体蛋白1）。
2. OMC1在整个雌性减数分裂中与含REC8-黏连蛋白的染色体轴结合：免疫染色显示，OMC1从E17.5开始定位于粗线期卵母细胞染色体，与联会复合体（synaptonemal complex, SC）组份SYCP3、SYCP1、SYCE3及REC8共定位；免疫金电镜进一步将OMC1定位于染色体轴/侧轴。在8周龄原始卵泡卵母细胞中仍可检测到OMC1。减数分裂成熟过程中，OMC1在第一次减数分裂中期（metaphase I, Meta I）沿姐妹染色单体轴分布并向着丝粒富集，在第二次减数分裂中期（metaphase II, Meta II）位于内着丝粒区域。该定位依赖于SMC1β；PLA证实OMC1与REC8在纳米尺度上接近。
3. Omc1 KO卵母细胞受精后发育潜力降低：Omc1 KO雌性小鼠卵巢形态和原始卵泡数量未见异常，GV breakdown（GVBD）正常，但随年龄增加产仔数下降，并且体外受精后胚胎发育至囊胚的效率降低、出现发育延迟，表明OMC1缺失导致受精后发育潜力下降。
4. OMC1是维持卵母细胞染色体黏连蛋白所必需的：Omc1 KO胎儿粗线期卵母细胞中SC结构和REC8初始加载基本正常，但KO小鼠原始卵泡卵母细胞中，染色体上的REC8水平在8周和22周时显著低于野生型，而出生后10天（P10）时无显著差异。Meta I期染色体REC8水平也降低，但GV卵母细胞总REC8蛋白水平不变，提示染色体保留不稳定而非降解。同时，Meta I期姐妹着丝粒间距增大，着丝粒蛋白A（CENPA）水平未变；并出现同源染色体交叉终端化，但MLH1标记的交叉分布正常。表明OMC1主要功能是维持而非装载REC8黏连蛋白。
5. OMC1缺失加速年龄相关的卵母细胞非整倍体：活细胞成像显示，8周龄Omc1 KO卵母细胞Meta I期染色体排列和后期I（anaphase I, Ana I）分离正常，但Meta II期出现严重染色体错位。三维重建和着丝粒计数显示约78%的Meta II卵母细胞存在2至8个单染色单体，总着丝粒数仍为40，提示为姐妹染色单体提前分离（premature separation of sister chromatids, PSSC），而非减数第一次分裂错误分离。Meta II姐妹着丝粒间距亦增大。通过TRIM-Away部分耗减REC8可在野生型卵母细胞中重现PSSC表型。35周龄KO卵母细胞在Meta I即出现同源染色体提前分离为单价体，Meta II的PSSC频率进一步增加，呈现年龄依赖性加速。
6. 成年减数分裂成熟期间注射Omc1 mRNA部分挽救粘连缺陷：向GV期KO卵母细胞注射Omc1 mRNA可提高Meta I染色体REC8水平、降低Meta II PSSC频率，但并不能完全恢复着丝粒间距。TRIM-Away急性去除OMC1亦导致PSSC增加，且可被Omc1 mRNA挽救。说明OMC1在减数分裂成熟期具有急性功能，但不能逆转此前已积累的粘连缺陷。
7. 早绝经相关的截短突变破坏OMC1功能：人类CCDC201 R162 stop-gain突变对应小鼠Omc1 R151 stop-gain。将突变型Omc1 mRNA注入KO卵母细胞，不能抑制PSSC，且突变型OMC1蛋白无法定位于染色体。说明该突变破坏OMC1的染色体关联和维持粘连的功能。
总结讨论部分：研究数据显示OMC1在网状停滞期和减数分裂成熟期两个阶段维持染色体上的REC8黏连蛋白，从而抑制年龄相关的粘连丧失和非整倍体。与自然衰老卵母细胞不同，Omc1 KO卵母细胞中CENPA水平保持正常，提示OMC1并非广泛保护衰老敏感蛋白，而是特异性地维持REC8。人类CCDC201功能缺失突变与早绝经相关，且对应的小鼠突变丧失功能，提示OMC1（CCDC201）的缺失可能加速人类生殖衰老。研究结论为：OMC1通过维持REC8黏连蛋白，支持雌性生殖寿命；OMC1缺失导致粘连过早丢失，加速年龄相关的染色体错误分离和卵母细胞非整倍体。该发现揭示了雌性生殖细胞内在的分子基础，为理解生殖寿命和年龄相关生育力下降提供了新视角。
