日本理化学研究所（简称“理研”）生命机能科学研究中心染色体分配研究团队的竹之内修基础科学特别研究员、榊原扬悟基础科学特别研究员（研究当时）、北岛智也团队负责人组成的研究团队利用对分裂细胞的染色体逐一追踪的新技术，揭示了老化卵子内部小染色体数量容易出现异常的原因。研究成果已经发表在期刊《Science》上。北岛表示：“动态成像技术的开发使得我们第一次能够观察到每条染色体的运动。我们还希望将这项技术应用于受精卵胚胎发育机理等方面的研究。”
图1 理研北岛智也团队负责人（右）和竹之内修基础科学特别研究员在记者发布会上
图2 依托CRISPR-Sirius技术的染色体识别（供图：理化学研究所）
白色表示染色体的形状，绿色荧光点表示附着在每条染色体上的荧光探针信号。包含所有染色体的视场观察图示如1号染色体图所示（左上两图，比例尺5微米（μm，1μm为百万分之一米））。每条染色体的放大观察图像比例尺为3μm。在减数第一次分裂中，染色体会形成含有四个染色单体的二价染色体，每种染色体都可观察到多个绿色荧光点。
此前，研究团队曾分析过小鼠卵母细胞内的染色体分配异常，发现衰老的卵母细胞内减数分裂过程中同源染色对（二价染色体）的提前分离是染色体分离异常的原因。然而，仅凭以往的动态成像技术无法识别染色体，也无法了解特定的小染色体是因为何种过程导致了分配异常的。
为此，研究人员想到，如果将可以荧光标记活体细胞DNA序列的CRISPR-Sirius技术应用于小鼠卵母细胞，并对只包含在一种染色体中的DNA序列进行荧光标记，即可将带有荧光点的染色体识别为靶染色体。基于小鼠的基因组信息，研究团队筛选出了18万2147种DNA序列作为标记候选，根据准确性等因素确定了其中的优先顺序，并利用CRISPR-Sirius技术对其逐一进行标记。最终，研究人员筛选出可观察到较强荧光点的DNA序列，成功开发了可识别小鼠卵母细胞内全部20种染色体（包括19种常染色体和X染色体）的荧光探针集。
研究团队将荧光探针集与已经开发的在减数分裂期间自动追踪染色体位置并获取图像的显微镜技术相结合，并将这种新型染色体分析技术命名为“染色体追踪和识别法（Chromosome tracking-and-identification method）”。
研究团队使用这种方法，分别分析了采集自年轻小鼠卵母细胞内的9种染色体（大染色体：1～3号染色体和X染色体，中大小染色体：8～9号染色体，小染色体：17～19号染色体）的动态情况。结果发现，在减数分裂期的前期和中期，小染色体倾向于向纺锤体的内侧移动，大染色体则倾向于向外侧移动。
此外，研究发现，越小的染色体沿纺锤体主轴伸长的时机往往越早。这一现象提示，卵母细胞会根据染色体大小改变其伸长时机，以调整染色体的动力学特性。
上了年纪的小鼠卵母细胞也和年轻的卵母细胞一样，小染色体更易局部存在于纺锤体的内侧。但在减数第一次分裂过程中，染色体越小，提前分离的频率越高，有六成提前分离的染色体在减数第一次分裂的后期出现了分配异常。染色体的提前分离是由微管将染色体拉向纺锤体两极的力量所致，因此研究人员通过每条染色体的伸长情况推算了微管作用于染色体的力量。位于纺锤体内侧的染色体比外侧的染色体伸得更长，染色体在纺锤体内侧受到了更强的拉力，由此诱发了染色体早期分离。
竹之内研究员表示：“随着年龄增长，染色体黏附分子的浓度会变低，染色体进入纺锤体内侧后无法承受拉力，小染色体便会提前分离。”
当研究人员将最近开发的人工着丝粒导入衰老的卵母细胞，阻止染色体进入纺锤体内侧后，染色体早期分离的频率出现下降，这表明有可能使用人造着丝粒来控制染色体的异常分离。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science
论文：Live chromosome identifying and tracking reveals size-based spatial pathway of meiotic errors in oocytes
DOI：10.1126/science.adn5529
