Pak1在确保小鼠卵母细胞减数分裂结果精确性中的作用和分子机制

In previous work,chromosome condensation was found inhibited when the activation of protein kinase Pak1 (p21-activated kinase 1) was blocked in mouse oocytes during meiotic resumption, activated Pak1 was persistently present in the microtubule organizing centers (MTOCs) and chromosome kinetochores, as well as dynamically co-localized between chromosome arms with PP2A, associated with the maintenance of cohesin REC8, implying Pak1 may be involved in regulating the orderly completion of oocyte meiosis,then ensuring the accuracy of chromosome division, through systematic participation in the condensation of chromosomes, the formation and maintenance of MTOC and the functional establishment of spindle assembly checkpoint (SAC) as well as the step-wise degradation of condensins. In this project, we will continue to explore specific roles and molecular mechanisms of Pak1 in the events mentioned above; establish pak1 oocyte's conditional knockout mouse model to investigate Pak1's roles in vivo. The project findings will fully reveal Pak1's roles in ensuring the accuracy of oocyte meiosis in multiple levels, providing new evidences for understanding the formation of human aneuploid embryos.

前期工作中发现小鼠卵母细胞减数分裂恢复时蛋白激酶Pak1(p21-activated kinase 1)的活化抑制会阻止染色体凝集，活化的Pak1持续存在于微管组织中心(microtubule organizing centers，MTOCs)和动粒上，并与黏结素REC8保护相关的PP2A共同动态地聚集在染色体臂间，提示Pak1可能通过系统地参与染色体凝集、MTOC的形成和维持、动粒上纺锤体装配检验点（spindle assembly checkpoint）的功能建立以及黏结素的有序解离等过程来调控减数分裂的有序完成,从而确保染色体准确分离。本项目将继续研究Pak1在上述事件中的具体作用和分子机制；构建卵母细胞pak1条件性敲除小鼠模型，在体性地研究Pak1的作用。研究结果将在多个水平充分地揭示Pak1在确保卵母细胞减数分裂结果精确性中的作用，为认识人类非整倍体胚胎的形成机制提供证据支持。

非整倍体胚胎是临床不孕不育、自发性流产和出生缺陷的最主要原因，其形成与母亲卵母细胞减数分裂过程中染色体的分离错误密切相关。本项目系统研究了Pak1 (p21-activated kinase 1) 在小鼠卵母细胞减数分裂过程中表达及其在染色体分离中的作用和机制。Pak1在卵母细胞减数分裂恢复时在激酶区Thr423位点发生磷酸化（pPak1Thr423）而活化，且不依赖于PIX（Pak-interacting exchange factor）和小GTP酶CDC42/Rac1。pPak1Thr423持续存在于微管组织中心和动粒上，并与黏结素 REC8 保护相关的PP2A共同动态地聚集在染色体臂间。在减数分裂恢复后Pak1活性通过磷酸化Histone H3 Ser10而促进染色体凝集；通过调控Aurora A的蛋白水平和聚集而参与微管组织中心的结构建立和维持，促进纺锤体的组装；通过维持Aurora B和Survivin的蛋白水平而调控纺锤体组装检点的功能建立，从而确保减数分裂后期和染色体分离适时启动；Pak1活性还与卵母细胞减数分裂末期的完成和第一极体排出相关。Pak1通过参与上述事件系统调控减数分裂的有序完成,从而确保染色体准确分离。在本项目研究发现在小鼠卵母细胞减数分裂过程中NQO2（NRH:quinone oxidoreductase 2）持续恒定表达并存在于纺锤体和染色体上。在ROS激发因素存在的条件下，NQO2可以介导ROS的产生和积累，损害卵母细胞纺锤体和染色体形态，抑制细胞成熟。化学性抑制NQO2或者敲降NQO2表达能够阻止ROS产生和相应的细胞毒性，改善卵母细胞减数分裂结果和孤雌胚胎的发育潜力。研究结果提示NQO2可以作为治疗不孕不育症的药物靶点。另外，本项目研究证实了在小鼠卵母细胞减数分裂过程中Stau2（Staufen2）以不同于体细胞的分布特点对称地分布在纺锤体和着丝粒上，通过调节减数分裂纺锤体的构建和维持、促进微管与动粒之间连接的建立，确保染色体的正确分离。此外，Stau2促进胞质分裂的进程，是卵母细胞完成第一次减数分裂的保障。综上，本项目研究结果为从多个角度揭示卵母细胞减数分裂过程中染色体分离准确性的确保机制提供了证据，有助于认识和预防人类非整倍体胚胎的形成。