Science解開(kāi)細(xì)胞分裂重要謎題
日期：2014-11-03 09:02:29
細(xì)胞分裂過(guò)程對(duì)生命至關(guān)重要。自維多利亞時(shí)代細(xì)胞生物學(xué)出現(xiàn)以來(lái)，細(xì)胞分裂的最后階段——兩個(gè)子細(xì)胞彼此分離的過(guò)程一直讓科學(xué)家們感到著迷。然而在過(guò)去很長(zhǎng)的時(shí)間里，要研究最后的一步即分裂細(xì)胞在一分為二之前形成分裂溝（furrow）的過(guò)程卻極為困難。
早期的生物學(xué)家將這一過(guò)程命名為“胞質(zhì)分裂”（ cytokinesis），被解讀為是“細(xì)胞運(yùn)動(dòng)”以及一系列高度活躍及組織化的事件。科學(xué)家們現(xiàn)在對(duì)與之相關(guān)的蛋白質(zhì)和它們的行為有了更多的了解，但有一個(gè)重要的謎題仍然未解：細(xì)胞是如何向分裂溝處發(fā)送信號(hào)的？
出現(xiàn)這一盲點(diǎn)的一個(gè)簡(jiǎn)單原因在于：難以在活細(xì)胞中看到及檢測(cè)這樣復(fù)雜的過(guò)程。現(xiàn)在，哈佛醫(yī)學(xué)院的系統(tǒng)生物學(xué)家在《科學(xué)》（Science）雜志上報(bào)告稱，他們?cè)跓o(wú)細(xì)胞的條件下重建了胞質(zhì)分裂——包括了指揮分子交通的一些信號(hào)。結(jié)合蛙卵提取物和模擬細(xì)胞膜的脂質(zhì)膜，他們構(gòu)建出了一個(gè)無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)重演分裂溝的組裝過(guò)程。
這一無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)具有兩個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)：其擴(kuò)大了分裂溝構(gòu)建事件的規(guī)模，使得觀察它們變得更為容易，并為研究人員提供了一種簡(jiǎn)單的方法操控相關(guān)蛋白。當(dāng)細(xì)胞完整無(wú)損時(shí)，很難做到快速地除去及恢復(fù)某些蛋白來(lái)觀察作用分子的改變對(duì)于胞質(zhì)分裂的影響，而當(dāng)細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)散布在顯微鏡載玻片上之時(shí)則變得很容易。
關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于胞質(zhì)分裂行為完全依賴于細(xì)胞膜來(lái)形成分裂溝——而構(gòu)建這一無(wú)細(xì)胞系統(tǒng)則必須除去細(xì)胞膜。認(rèn)識(shí)到可利用玻璃上由兩層人工脂質(zhì)構(gòu)成的一個(gè)受控平板膜，來(lái)替代彎曲的、不斷移動(dòng)的復(fù)雜細(xì)胞膜，使得這項(xiàng)研究工作成為可能。
哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)教授Timothy Mitchison說(shuō)：“我們真正構(gòu)建出了細(xì)胞中發(fā)生的事件。我們相信我們的工作不僅朝著理解分裂溝的組裝過(guò)程邁進(jìn)了一步，更廣泛地說(shuō)，還推動(dòng)了認(rèn)識(shí)胞質(zhì)分裂信號(hào)傳導(dǎo)的生物物理學(xué)。”
該研究團(tuán)隊(duì)包括共同資深作者Mitchison和哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)講師Christine Field，共同主要作者、化學(xué)生物學(xué)研究生Phuong Nguyen，以及系統(tǒng)生物學(xué)研究員Aaron Groen。
工作伊始研究人員輕輕破碎了來(lái)自非洲爪蟾的未受精卵細(xì)胞，分離出了它們的內(nèi)容物。以往科學(xué)家們?cè)眠@些卵抽提物重建了有絲分裂紡錘體。哈佛醫(yī)學(xué)院的這一研究小組則更進(jìn)了一步。
一開(kāi)始，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了他們的分子儲(chǔ)存物，提出了用這些構(gòu)件來(lái)充當(dāng)人工中心體以及熒光標(biāo)記的微管。他們隨后模擬了受精過(guò)程，通過(guò)添加標(biāo)記抗體，利用熒光顯微鏡成像了細(xì)胞分裂過(guò)程所需的一些結(jié)構(gòu)的自組裝過(guò)程，而這是利用組織培養(yǎng)物中的活細(xì)胞不可能做到的事情。
最后的組成部分是細(xì)胞膜模型。
Field說(shuō)：“為了真正證明我們重建出了胞質(zhì)分裂信號(hào)，我們需要添加雙分子層膜，然后看它能否招募細(xì)胞表層的一些蛋白質(zhì)。這就是我們?cè)趯ふ业陌l(fā)送給細(xì)胞膜的信號(hào)。”
科學(xué)家們能夠看到這一信號(hào)部分原因在于Field選擇將肌動(dòng)蛋白（actin）納入到了他們的系統(tǒng)中。由于這一細(xì)胞成分使得很難用卵細(xì)胞提取物開(kāi)展實(shí)驗(yàn)因此往往被清除。肌動(dòng)蛋白在細(xì)胞中的工作像裝配在一起的樂(lè)高積木一樣，就是組裝成長(zhǎng)肌動(dòng)蛋白纖維（微絲）和網(wǎng)狀組織。
微絲提供了支架，使得其他的細(xì)胞成分，包括細(xì)胞膜能夠移動(dòng)和改變形狀。因此Field推斷，盡管使用肌動(dòng)蛋白存在困難，將其納入系統(tǒng)中來(lái)重演與形成分裂溝相關(guān)的信號(hào)極為重要。
Nguyen 說(shuō)：“微管信號(hào)不僅發(fā)送到了質(zhì)膜，也發(fā)送到了形成質(zhì)膜頂部的肌動(dòng)蛋白層（actin cortex）。只有在存在肌動(dòng)蛋白的情況下才能看見(jiàn)這一現(xiàn)象。”
有多個(gè)信號(hào)復(fù)合物在分裂溝處起作用，微管與肌動(dòng)蛋白層及細(xì)胞膜都進(jìn)行了“對(duì)話”。
Groen說(shuō)：“這一系統(tǒng)的巧妙之處在于，根據(jù)個(gè)別的結(jié)構(gòu)組件：肌動(dòng)蛋白、微管和細(xì)胞膜重建了胞質(zhì)分裂。現(xiàn)在我們可以開(kāi)始在空間上操控這些組件，這是在活細(xì)胞中無(wú)法辦到的。我對(duì)著這些可能性感到非常的興奮。”
Mitchison說(shuō)，他們從事的是最基礎(chǔ)的理論知識(shí)研究工作，但細(xì)胞分裂對(duì)于胚胎發(fā)育、干細(xì)胞更新和癌癥均至關(guān)重要。
“例如，我們談?wù)摰倪@些過(guò)程同樣發(fā)生于生成新血細(xì)胞的骨髓中。因此明確地了解這一生物學(xué)與許多的疾病類型有關(guān)聯(lián)。”
