當精子與卵子完成受精後，受精卵中會形成雌雄各自的原核，並發育為多核細胞。研究證實，正是由於父母雙方基因組刻意分區獨立存在，才得以通過細胞質介導的交匯，維持了受精卵高度的發育能力。這一成果由日本國立研究開發法人理化學研究所（簡稱理研）生命機能科學研究中心染色體分配研究團隊的京極博久客座研究員（神戶大學研究生院農學研究科副教授）、北島智也團隊負責人，物理生物學研究團隊的柴田達夫團隊負責人，無細胞蛋白質合成研究團隊的清水義宏團隊負責人，生命醫科學研究中心疾病表觀基因組遺傳研究團隊的井上梓團隊負責人，以及九州大學研究生院醫學研究院的原田哲仁教授等人的聯合團隊共同闡明的。相關論文已發表《Nature》期刊的網路版上。
圖1 雙親基因組的分居調控胚胎發育（供圖：理化學研究所）
圖2 雙親基因組融模具組裝受精卵形成巨型原核且組蛋白修飾水平降低（供圖：理化學研究所）
京極博久研究員表示：「在受精卵中，母源和父源基因組為何作為兩個原核分開存在，此前一直不太清楚。通過顯微操作逐一調控受精卵的狀態，最終證實這種‘分居’會產生細胞內的競爭，從而維持發育所需的狀態。此次能夠以通俗易懂的形式闡明生命機制中這一基礎核心原理，我們倍感振奮」。
以往研究已知，受精卵內的母源和父源基因組具備不同的組蛋白修飾狀態，且二者在胚胎發育初期發生明顯改變，是胚胎正常發育必不可少的條件。然而，父母基因組的空間分離以及原核大小本身如何參與組蛋白修飾和胚胎發育，此前始終缺乏實驗驗證。
為闡明受精卵中父母基因組分居為兩個原核的生物學意義，研究團隊分析了其機制及其對胚胎發育的影響。
首先，利用小鼠的卵子和精子，人工製備了父母基因組同居一個原核的單原核受精卵，並與正常的雙原核受精卵進行了比較。結果發現，在單原核受精卵中，形成了與正常受精卵中雌性原核和雄性原核體積總和幾乎同等大小的巨大原核。對組蛋白修飾狀態的分析結果顯示，單原核受精卵中組蛋白修飾水平整體下降。
為驗證原核大小是如何被控制的，研究團隊製備並分析了僅含有母源基因組或僅含有父源基因組的單原核受精卵，結果發現，無論哪種情況，原核大小都比正常更大。這表明決定大小的因素並非父母基因組各自固有，而是細胞質中含有的某種因子作用於原核。後續實驗證實，當人為將細胞質含量減半或加倍時，原核大小隨細胞質量而變化，細胞質縮減則原核變小，細胞質增多則原核隨之變大。
接下來，研究人員對核膜孔構成成分的聚集及核內轉運速度進行分析後發現，雄性原核中形成了更多的核膜孔，向核內攝取物質的速度快於雌性原核。也就是說，核膜孔的數量決定了原核的大小和生長速度。
進一步分析的結果表明，原核大小的變化與組蛋白修飾水平之間存在負相關關係。即，原核越大，組蛋白修飾水平越低；而原核大小受到合理調控時，組蛋白修飾水平得以維持正常。
為驗證單原核受精卵能否正常發育為小鼠幼崽時發現，單原核受精卵與正常的雙原核受精卵相比，出生率（產仔率）降低。此外，為探究這種降低能否恢復正常，研究團隊通過暫時導入第二個原核製造了兩個原核的競爭狀態，結果顯示，原核大小受到有效調控，原本降低的組蛋白修飾得到恢復，產仔率也隨之改善。同時，通過使用增加組蛋白修飾水平的藥物處理或基因表現操作，發育率也得到了部分恢復。京極研究員表示：「將來，通過操作組蛋白修飾水平，或將有助於生殖輔助醫療。」
這些結果表明，在受精卵中，由於父母基因組以兩個原核的形式分居在各自不同的「房間」裏，圍繞細胞質中有限的因子產生了原核之間的競爭，從而合理地調控了原核的大小。這種大小調控維持了組蛋白修飾水平，最終保障了後續的胚胎發育能力。
北島團隊負責人表示：「生命的起源究竟在哪裡？有人說是受精的瞬間，有人說是兩個基因組相遇的時刻，也有人說是著床的瞬間。答案多種多樣。父母基因組雖然分處不同的空間，卻通過細胞質競爭這一遠距離通訊相互交流，從而幫助後代的發育。這一獨特的空間運作機制，為人們探尋生命起源提供了全新的研究視角」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature
論文：Cytoplasmic competition between separate parental pronuclei in zygotes
DOI：10.1038/s41586-026-10417-7
