高中生物疑難問題集萃

【疑問1】為什么次級(jí)卵母細(xì)胞的分裂會(huì)停滯在MⅡ中期？

【釋疑】在分子生物學(xué)水平上，細(xì)胞靜止因子（cells station factor，CSF）的存在是卵子停滯在MⅡ 期的關(guān)鍵。CSF可以穩(wěn)定成熟促進(jìn)因子（maturation promote factor，MPF）的活性，MPF穩(wěn)定存在使卵子停滯在MⅡ中期。目前，CSF的具體成分尚不清楚。MPF是由周期依賴性蛋白激酶-1（CDK1）和周期蛋白B（cyclin B）亞基組成的一個(gè)異源二聚體。MPF具有絲氨酸/蘇氨酸激酶作用，它可以參與核孔蛋白（nucleoporin）、核小體連接組蛋白H1、核纖層蛋白（lamin）、RNA 聚合酶（RNA polymerase）、濃縮素（condensin）復(fù)合體、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的肌球蛋白（cytoplasmic myosin）等底物的磷酸化過程[1]。濃縮素復(fù)合體的磷酸化促使了染色體濃縮狀態(tài)的形成，RNA聚合酶的磷酸化使卵子的轉(zhuǎn)錄過程進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，肌球蛋白的磷酸化使MⅡ中期的紡錘體肌球蛋白的活動(dòng)進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)，從而阻止染色體的變化與分離，使染色體變化停滯在MⅡ中期，最終促使卵子停留在MⅡ中期。

【疑問2】為什么卵子達(dá)到MⅡ中期才具備與精子受精的能力？

【釋疑】精子在受精過程中，從細(xì)胞水平上講有兩個(gè)重要的變化過程，第一是精子入卵子后的去濃縮過程，第二是精子雄原核的形成。這兩個(gè)變化過程的實(shí)質(zhì)就是精子核被卵細(xì)胞質(zhì)重塑的過程。而處于MⅡ中期的卵子具有促使這兩個(gè)變化過程的物質(zhì)，即MPF和促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）。卵子胞質(zhì)內(nèi)高活性的MPF有利于重構(gòu)胚中體細(xì)胞核的去分化[1]，而卵子和精子都是高度分化的細(xì)胞，達(dá)到MⅡ中期的卵子具有激發(fā)受精卵全能性的作用，有利于新個(gè)體的發(fā)育。

【疑問3】為什么精子進(jìn)入卵子后，卵子會(huì)完成第二次分裂？

【釋疑】精子進(jìn)入卵子后，可誘發(fā)卵細(xì)胞內(nèi)持續(xù)的鈣離子波動(dòng)，從而激活鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）。CaMKⅡ可通過特定的信號(hào)途徑來激活后期驅(qū)動(dòng)復(fù)合體（anaphase promoting factor／complex，APC/C）。APC/C是一種泛素化作用復(fù)合體，即含有多個(gè)亞單元的E3泛素連接酶。它可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行泛素化標(biāo)記及對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行降解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)功能的調(diào)控作用。APC/C活化后，可降解與卵子靜止緊密相關(guān)的兩個(gè)分子，即染色體禁錮因子（securine）和周期蛋白B，使卵子內(nèi)MPF的活性下降或消失，從而使參與的核孔蛋白、核小體連接組蛋白H1、核纖層蛋白、RNA 聚合酶、濃縮素復(fù)合體、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的肌球蛋白等底物發(fā)生去磷酸化過程，使卵子繼續(xù)進(jìn)入分裂狀態(tài)，這就是卵子完成第二次減數(shù)分裂過程的分子生物學(xué)機(jī)制。

【疑問4】為什么精子入卵后，精子原有的核膜先破裂，隨后又形成比原來精子核大的雄原核？

【釋疑】1.精子原有的核膜破裂的原因

核纖層蛋白組成核纖層，核纖層的作用是使核膜保持穩(wěn)定。精子入卵后，精子在卵子內(nèi)高活性MPF的作用下，核孔蛋白、核小體連接組蛋白H1、核纖層蛋白發(fā)生磷酸化。核纖層蛋白發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致核纖層結(jié)構(gòu)解體，解體后有兩種存在形式，即核纖層結(jié)構(gòu)的組成成分核纖層蛋白A和C隨著核纖層結(jié)構(gòu)的解體而以可溶性狀態(tài)存在，而核纖層蛋白B則仍然以核膜破裂成大小不等的封閉小泡（即膜泡）[2]的狀態(tài)存在。

2.雄原核比原來精子核大的原因

雄原核比原來精子核大的原因有兩個(gè)：其一，精子致密的核進(jìn)入卵子細(xì)胞質(zhì)后，在MPF和卵內(nèi)特定的分子伴侶核漿素（nucleoplasmin）的作用下，精子染色體上的魚精蛋白（類組蛋白）便快速地被卵子細(xì)胞質(zhì)內(nèi)特異性的組蛋白Hlfoo等所置換，該過程會(huì)使精子染色體的結(jié)構(gòu)變得疏松，精子核整體上會(huì)顯現(xiàn)膨脹狀態(tài)，在形態(tài)學(xué)上，表現(xiàn)為精子核去濃縮。這種置換可能有利于打開精子致密的染色體結(jié)構(gòu)，從而使卵子內(nèi)的各類生物分子接近精子核。其二，精子核入卵子胞質(zhì)后，卵細(xì)胞內(nèi)持續(xù)的鈣離子波動(dòng)，卵子胞質(zhì)中的MPF活性快速下降，使?jié)饪s素復(fù)合體去磷酸化，這也使染色體的結(jié)構(gòu)逐漸變得松散。

隨著受精后成熟促進(jìn)因子（MPF）活性的持續(xù)下降，核孔蛋白、核纖層蛋白、核小體連接組蛋白H1及濃縮素復(fù)合體等這些底物的磷酸化狀態(tài)不能繼續(xù)維持,從而使這些底物發(fā)生去磷酸化作用，這一變化過程使微膜泡在核纖層蛋白與核孔復(fù)合體的組織下重新形成核膜結(jié)構(gòu)，這樣就形成了比原來精子核大的雄原核。