Nature封面文章：不平等的遺傳

日期：2015-12-11 08:49:48

分享的觀念是我們大多數人從小就被教導的基本社會準則。通常，我們被告知要彼此平等地分享。分享這一概念也適用于細胞；在細胞分裂過程中它們需要分享信息才能正確發揮功能。但就細胞來說，交換信息并不總是平等的。在不對稱細胞分裂過程中，儲存信號分子的囊泡——核內體（endosomes）只會進入到一個子細胞中。

日內瓦大學(UNIGE)的研究人員幾年前就已經發現了這一現象，但他們并不知道這種不平等分享背后的機制。現在，Marcos Gonzalez-Gaitan教授的研究小組闡明了核內體是如何知道去到哪個細胞及在物理上如何做到這一點的。研究結果可進一步幫助了解腫瘤的形成。這項研究被選為封面文章發布在最新一期（12月10日）《自然》（Nature）雜志上。

在活細胞中，信息被編碼在決定它們命運的信號分子內。這一“軟件”指示了細胞怎樣去做。在細胞分裂過程中，這一信息以兩種不同的方式被處理：對稱或是不對稱。在對稱分裂過程中，母細胞內的信息被平等地傳遞給兩個子細胞。在不對稱分裂過程中，兩個子細胞彼此不同。例如，就干細胞來說，一個子細胞是母細胞的復制副本，變成另一個干細胞；而另外的那個子細胞則有著不同的命運，在器官中變成特化細胞執行某種功能.

日內瓦大學科學院生物化學系Marcos Gonzalez-Gaitan研究小組現在報告了一種機制，解釋了不對稱分裂的運作機制。這項研究證實，不論哪種類型的細胞分裂，細胞內的支架結構——中心紡錘體對發送這一信號信息起重要作用。這一支架是由聚集在細胞中央的微管構成。微管具有正極和負極。正極指向中心。儲存信息分子的核內體利用了這些微管作為運輸路線，就像在單行道上一樣它們沿著微管移動。這一分子運載工具的“馬達”是Klp98A蛋白。由于正極充當了方向標志，核內體走向細胞的中心。

不對稱紡錘體意味著不對稱的分配

兩種蛋白在微管上起作用，導致了中心紡錘體不對稱。解聚蛋白Klp10A可從負極端切斷微管。另一方面，Patronin覆蓋著負極端，阻止Klp10A切斷微管。不對稱分裂細胞的一邊具有更多的Patronin，在細胞的這邊切斷微管負極端遭受阻礙。因此，這邊將具有更多的微管。可將這種布局比作一條雙向公路，有更多的車道通向一個方向。如果司機隨意進入這一高速公路，他將更有可能去到有更多車道通向的終點。

對于細胞來說，這種不對稱意味著有更多微管指向一個子細胞而非另一個子細胞，轉而這極化了核內體的運動，因為“汽車發動機” Klp98A使得核內體向著這一細胞移動。研究人員想知道是否有可能逆轉這一過程。在納米抗體的幫助上他們做到了這一點。利用微小的、非常簡單的抗體，他們困住Patronin使之遠離通常富集的細胞一邊，突然更多的微管指向了另一個細胞。這一倒轉紡錘體按相反的錯誤方向送出了核內體。這樣，科學家們就像修路工人一樣改變了高速公路一個方向的車道數量。論文的第一作者Emmanuel Derivery,說：“這向我們證實了，核內體可以被愚弄，我們可以按相反的方向發送它們。這意味著實際上是紡錘體的極性協調了核內體的極性。”

為了能夠分析大量不同的細胞，研究人員開發出了自己的軟件。讓計算機自身測量紡錘體大小和微管上核內體的移動速度，所有均基于利用一種轉盤式共聚焦顯微鏡生成的這一過程的影像。研究人員證實了，這一不對稱分配機制在包括果蠅神經干細胞和腸干細胞，斑馬魚脊髓神經前體細胞等不同細胞中完全一樣的發揮作用。Marcos Gonzalez-Gaitan說：“這讓我們極好地認識了，在不對稱細胞分裂過程中一個典型的普通細胞發生了什么，由于是計算機完成的工作我們以完全無偏移的方式獲得了這一信息。”

Marcos Gonzalez-Gaitan確信，這些研究結果也會對癌癥研究產生影響。“如果干細胞不能正常地進行不對稱細胞分裂，腸道或皮膚等器官中的細胞增殖無法繼續逐漸地補充死亡的細胞，而呈指數級上漲。這種失控的生長有可能最終導致了腫瘤。”因此了解不對稱細胞分裂的分子機制和物理學至關重要。