当精子与卵子完成受精后，受精卵中会形成雌雄各自的原核，并发育为多核细胞。研究证实，正是由于父母双方基因组刻意分区独立存在，才得以通过细胞质介导的交汇，维持了受精卵高度的发育能力。这一成果由日本国立研究开发法人理化学研究所（简称理研）生命机能科学研究中心染色体分配研究团队的京极博久客座研究员（神户大学研究生院农学研究科副教授）、北岛智也团队负责人，物理生物学研究团队的柴田达夫团队负责人，无细胞蛋白质合成研究团队的清水义宏团队负责人，生命医科学研究中心疾病表观基因组遗传研究团队的井上梓团队负责人，以及九州大学研究生院医学研究院的原田哲仁教授等人的联合团队共同阐明的。相关论文已发表《Nature》期刊的网络版上。
图1 双亲基因组的分居调控胚胎发育（供图：理化学研究所）
图2 双亲基因组融合型受精卵形成巨型原核且组蛋白修饰水平降低（供图：理化学研究所）
京极博久研究员表示：“在受精卵中，母源和父源基因组为何作为两个原核分开存在，此前一直不太清楚。通过显微操作逐一调控受精卵的状态，最终证实这种‘分居’会产生细胞内的竞争，从而维持发育所需的状态。此次能够以通俗易懂的形式阐明生命机制中这一基础核心原理，我们倍感振奋”。
以往研究已知，受精卵内的母源和父源基因组具备不同的组蛋白修饰状态，且二者在胚胎发育初期发生明显改变，是胚胎正常发育必不可少的条件。然而，父母基因组的空间分离以及原核大小本身如何参与组蛋白修饰和胚胎发育，此前始终缺乏实验验证。
为阐明受精卵中父母基因组分居为两个原核的生物学意义，研究团队分析了其机制及其对胚胎发育的影响。
首先，利用小鼠的卵子和精子，人工制备了父母基因组同居一个原核的单原核受精卵，并与正常的双原核受精卵进行了比较。结果发现，在单原核受精卵中，形成了与正常受精卵中雌性原核和雄性原核体积总和几乎同等大小的巨大原核。对组蛋白修饰状态的分析结果显示，单原核受精卵中组蛋白修饰水平整体下降。
为验证原核大小是如何被控制的，研究团队制备并分析了仅含有母源基因组或仅含有父源基因组的单原核受精卵，结果发现，无论哪种情况，原核大小都比正常更大。这表明决定大小的因素并非父母基因组各自固有，而是细胞质中含有的某种因子作用于原核。后续实验证实，当人为将细胞质含量减半或加倍时，原核大小随细胞质量而变化，细胞质缩减则原核变小，细胞质增多则原核随之变大。
接下来，研究人员对核膜孔构成成分的聚集及核内转运速度进行分析后发现，雄性原核中形成了更多的核膜孔，向核内摄取物质的速度快于雌性原核。也就是说，核膜孔的数量决定了原核的大小和生长速度。
进一步分析的结果表明，原核大小的变化与组蛋白修饰水平之间存在负相关关系。即，原核越大，组蛋白修饰水平越低；而原核大小受到合理调控时，组蛋白修饰水平得以维持正常。
为验证单原核受精卵能否正常发育为小鼠幼崽时发现，单原核受精卵与正常的双原核受精卵相比，出生率（产仔率）降低。此外，为探究这种降低能否恢复正常，研究团队通过暂时导入第二个原核制造了两个原核的竞争状态，结果显示，原核大小受到有效调控，原本降低的组蛋白修饰得到恢复，产仔率也随之改善。同时，通过使用增加组蛋白修饰水平的药物处理或基因表达操作，发育率也得到了部分恢复。京极研究员表示：“将来，通过操作组蛋白修饰水平，或将有助于生殖辅助医疗。”
这些结果表明，在受精卵中，由于父母基因组以两个原核的形式分居在各自不同的“房间”里，围绕细胞质中有限的因子产生了原核之间的竞争，从而合理地调控了原核的大小。这种大小调控维持了组蛋白修饰水平，最终保障了后续的胚胎发育能力。
北岛团队负责人表示：“生命的起源究竟在哪里？有人说是受精的瞬间，有人说是两个基因组相遇的时刻，也有人说是着床的瞬间。答案多种多样。父母基因组虽然分处不同的空间，却通过细胞质竞争这一远距离通讯相互交流，从而帮助后代的发育。这一独特的空间运作机制，为人们探寻生命起源提供了全新的研究视角”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature
论文：Cytoplasmic competition between separate parental pronuclei in zygotes
DOI：10.1038/s41586-026-10417-7
