Cell：新技術解決細胞分裂爭議

日期：2012-07-23 08:25:41

美國Stowers醫學研究所的科學家開發了一種在復合體中計數熒光分子的新方法，并通過該方法解決了細胞生物學界的熱點爭議，即DNA如何組成著絲粒。這一研究成果有助于人們理解細胞分裂機制，和細胞避免分裂后出現染色體數異常的方式。

著絲粒是介導染色體分離的特殊結構，位于姐妹染色單體“X”型交匯點，是在細胞分裂時連接兩個姐妹染色單體的DNA結構。細胞分裂時，細胞內的復雜機制抓住著絲粒，將姐妹染色單體分別拉到細胞兩端，使其各自進入兩個子細胞。

在著絲粒處，DNA短鏈圍繞著蛋白核心形成核小體。酵母中位于核小體中心的蛋白是Cse4，且這種蛋白只位于核小體中。日前，Stowers的副研究員Jennifer Gerton博士通過活細胞成像技術揭示了著絲粒蛋白核心的組成。文章發表在２０１２年７月２０日的Cell雜志上。

“由于著絲粒具有維持基因組穩定性的重要作用，了解著絲粒非常關鍵，”Gerton說。“染色體缺失對于任何細胞來說都是災難性的。而這如果發生在精子或卵子中，就會造成唐氏綜合癥等疾病。”

此前人們發現的著絲粒結構至少有６種，也引發了大量爭議。研究人員分別在釀酒酵母和哺乳動物細胞中，研究了細胞分裂的機制。研究顯示，著絲粒核小體在細胞分裂期間會改變其組成，這就解釋了為何人們觀察到了不同的核小體結構，原因很可能是觀察的細胞分裂階段不同。”

研究人員使酵母細胞表達連有綠色熒光蛋白GFP的Cse4蛋白，并結合了兩種顯微分析方法來進行檢測，在活細胞中跟蹤并計數著絲粒核小體的Cse4分子。這項研究對于顯微鏡工作者來說，就是能在酵母細胞內的一個熒光點中觀察到多少GFP份子。

研究人員結合了熒光關聯譜技術FCS和calibrated imaging，這聽起來挺復雜，不過實際上結果分析都用不著計算器。

酵母細胞有16個染色體，各帶有一個著絲粒。如果各著絲粒只含有一個拷貝的Cse4，那么每個細胞中的熒光點就應該比單個GFP分子亮16倍。事實也的確如此，只不過僅在細胞分裂前。一旦姐妹染色單體分離并移動到細胞兩端，細胞分裂進入后期，信號的強度就增加了。

研究人員意識到細胞分裂早期觀察到的16個Cse4-GFP分子，在后期變為32個Cse4-GFP分子。這使他們非常驚訝，因為這意味著核小體的組成在改變。進一步分析發現，細胞分裂后期，著絲粒核小體的一個組分Scm3被踢出核心復合體，被額外的Cse4分子取代，改變了著絲粒的形態和大小。

文章第一作者Manjunatha Shivaraju博士通過另一個途徑驗證了該發現。研究發現，細胞分裂后期著絲粒處兩個Cse4分子發生了相互作用，Cse4編入而Scm3缺失。上述現象只在細胞分裂后期出現，支持了顯微觀察的結果。研究人員還發現，在酵母和人體細胞中核小體發生上述結構改變的時機不同，但人體細胞著絲粒和酵母著絲粒都在細胞周期中經歷了相似的動力學變化。

細胞分裂錯誤會帶來災難性的后果，大多數癌細胞都是非整倍體（細胞中的染色體數量異常），而了解著絲粒能夠幫助人們在分子水平上了解非整倍體的發生。

這項研究不僅解決了細胞生物學界有關著絲粒結構的爭議，同時也強調了酵母作用為模式生物的可行性。核小體結構在人體細胞和酵母中的保守性，說明酵母是研究細胞分裂分子機制的理想模型。