《Cell》有趣發現：有些細胞在復制之前需要“理個發”
日期：2017-01-16 10:02:39
我們的許多細胞都裝備了一條毛茸茸的“天線”，將外部環境相關的信息傳遞給細胞，科學家們已經發現，這些所謂的原纖毛的出現和消失，都是與細胞復制過程（稱為有絲分裂）同步的。現在，約翰霍普金斯大學的細胞生物學家報道稱，他們進一步闡釋了“這種‘脫發’和細胞復制，是如何通過戲劇性的纖毛尖端削剪（科學們稱之為斬首）而相互關聯的”。 相關研究結果發表在1月12日的《Cell》雜志上。
研究人員說，這一新信息是更好地理解“細胞如何決定進行有絲分裂”的關鍵，這一過程對于生物體的發育、組織的維持和癌癥的形成，是不可或缺的。他們也希望，這項工作能揭示纖毛相關疾病，如多囊腎病，以及某些智力殘疾。
這項研究的負責人、約翰霍普金斯大學醫學院細胞生物學副教授Takanari Inoue博士說：“纖毛斬首此前已經被觀察過，但從未進行過探索。我們現在知道，這是一個正常的過程，而不僅僅是在一定的實驗條件下發生的事情。我們已經確定了驅動它的分子機制。”
像小型貨車上的天線一樣，初級纖毛是出現在腎臟、大腦、視網膜和內耳等器官內的細胞上的微小結構，并為細胞提供了外部流體的流動和化學方面的信息。
當一個細胞不分裂時，稱為靜止狀態，絕大多數的細胞結構是不斷變化的，但初級纖毛是相對穩定的。Inoue和他的團隊試圖了解，是什么原因致使一個細胞退出靜態并開始有絲分裂時發生“理發”，在有絲分裂過程中，復制的染色體分裂并填入兩個新“姊妹”細胞中。
他們首先比較了具有更多和更少Inpp5e酶的細胞，而以前的研究認為認為這種酶參與了纖毛的穩定性。向靜態小鼠胚胎細胞中的纖毛膜加入熒光標記后，研究人員拍攝了纖毛的尖端。它們似乎被切斷，并且每隔幾小時就漂走一次。
在缺失Inpp5e基因的細胞中，當給予細胞進行有絲分裂的信號刺激時，“斬首”率比較高。但是，當科學家們向Inpp5e蛋白添加了一個分子代碼時——這樣它會聚集在纖毛，斬首率就大大下降。Inoue說，這表明Inpp5e在纖毛中的存在，可停止斬首過程，并且有絲分裂信號可將Inpp5e從纖毛中排出，以促進斬首過程。
Inoue說：“因為Inpp5e基因突變與朱伯特綜合征有關，其特征是腦發育異常和智力障礙，我們現在懷疑Inpp5e會影響大腦發育。”
Inpp5e的作用是抑制來自纖毛膜的一個脂肪樣分子，稱為PIP2。結合PIP2的一個熒光標記向研究人員顯示，纖毛中的PIP2濃度，尤其是尖端附近，也是同步的：在細胞接收到有絲分裂信號后PIP2積累在纖毛尖端，在PIP2積聚部位纖毛被削去。
因為PIP2在線狀結構（由肌動蛋白形成）的形成中發揮關鍵的作用，該研究小組利用一種熒光生物傳感器，來測量和可視化纖毛種這些結構的形成。在由于缺乏Inpp5e而含有過量PIP2的纖毛中，研究人員發現線的形成增加了十倍。此外，他們看到，線形成只是提前幾分鐘發生在斬首的部位。
Inoue說：“我們認為，線的形成實際上提供了砍斷纖毛的力量。”
為了弄清斬首對纖毛拆卸有何影響，Inoue實驗室的研究生和論文的主要作者Siew Cheng Phua，設計了一種方法來停止纖毛內的線形成。她發現，這些線對于纖毛拆卸是至關重要的，并且斬首過程是纖毛全拆卸所必需的。
接下來，研究小組分析了纖毛斬首的時機。使用一種熒光標記彩虹，研究人員隨后跟蹤了具有纖毛的細胞，從靜止期細胞通過其過渡期到有絲分裂，這整個過程。纖毛呈藍色，細胞的細胞核由黃變紅變暗。在正常細胞中，纖毛斬首普遍發生，而細胞仍處于靜止狀態（黃色核），然后過渡到有絲分裂（暗核）。但是在其纖毛不能形成線的細胞中，不能削剪纖毛與從靜止到有絲分裂的過渡較慢相關。
Inoue說：“不知何故，斬首可觸發纖毛萎縮；它們縮水超過了削剪。同時，這給細胞發送信號，告訴它們是時候退出靜止并開始分裂。”
當他們與日本的研究人員合作分析斬首的纖毛尖端的內容物時，他們發現，大多數分子對于細胞信號和纖毛生長是很重要的，這意味著斬首可調整纖毛的組成和功能。
根據Phua介紹，修剪纖毛的尖端，也可能具有臨床意義。最近的研究表明，多囊腎病患者尿液中含有封閉在包膜中的微小囊泡。Inoue說，很有可能它們是纖毛尖端，并且它們在疾病發展中起了重要作用，但需要更多的研究來證實這個想法。
Phua補充說：“纖毛的異常感覺功能與一些癌癥有關，如皮膚和腦腫瘤。纖毛斬首和有絲分裂之間的新聯系，可以幫助我們了解‘初級纖毛缺陷如何影響異常的細胞分裂，從而產生的腫瘤的形成’。”
