李戎研究组：我们研究的是细胞“动态”

来自斯托瓦斯医学研究所的李戎教授实验室就是这样一个对细胞“动态”着迷的研究组。他们探索细胞系统的行为和相互作用，希望能了解最重要的细胞动态行为之一——细胞分裂的分子机理，以及形态发生过程中自组装行为的分子和物理学机制等。这些成果对于细胞不等分裂，细胞极性等主要问题的解析提供了重要帮助。为了更深入的了解这些成果，生物通特联系了李戎教授，进一步追踪了这些动态成果。

　　

生物通报道：所谓动态，就是与静态相对而言的一种状态，比如国际动态，航班动态，股市动态等等。自然界中最大的动态聚合体可以说就是生物体了——即使生物是静止的，但其机体内部，器官组织细胞无一不在活动当中。在早期的生物学研究中，主要观察分析的都是静态行为，随着技术的发展，以及对生物奥秘的进一步探索，科学家们开始研究活细胞动态行为。

   来自斯托瓦斯医学研究所的李戎教授实验室就是这样一个对细胞“动态”着迷的研究组。他们探索细胞系统的行为和相互作用，希望能了解最重要的细胞动态行为之一——细胞分裂的分子机理，以及形态发生过程中自组装行为的分子和物理学机制等。

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   近期这一研究组接连在《Nature Cell Biology》杂志上发表文章，分别探讨了微丝骨架在卵原细胞纺锤体周质定位的动态维持中的重要作用，以及磷脂的质膜不对称分布对细胞极性动态维持中cdc42分子再循环的影响。这些成果对于细胞不等分裂，细胞极性等主要问题的解析提供了重要帮助。为了更深入的了解这些成果，生物通特联系了李戎教授，进一步追踪了这些动态成果。

细胞骨架对细胞极性的影响

   细胞骨架在细胞极性建立与维持中起着至关重要的作用，这一研究方向也是斯托瓦斯医学研究所的李戎教授研究组的重要研究方向之一。李戎研究组利用小鼠卵原细胞和经典单细胞模型出芽酵母为研究材料，试图揭示在不等细胞分裂过程中细胞骨架对细胞极性的影响。

  近期李戎研究组在Nature Cell Biology上连续发表两篇文章，分别探讨微丝骨架在卵原细胞纺锤体周质定位的动态维持中的重要作用，以及磷脂的质膜不对称分布对细胞极性动态维持中cdc42再循环的影响。

  在“Dynamic maintenance of asymmetric meiotic spindle position through Arp2/3-complex-driven cytoplasmic streaming in mouse oocytes”文章中，他们发现抑制肌动蛋白成核因子Arp2/3复合体 会影响纺锤体定位。早期研究认为是微管在有丝分裂过程中能帮助定位纺锤体，但是还有研究表明也有可能是肌动蛋白在起作用。

   为了了解到底在这一过程中肌动蛋白是否，以及如何作用，研究人员利用荧光蛋白示踪，活细胞成像以及时空联合图像相关性波谱技术（STICS)，发现Arp2/3复合体形成的微丝在卵原细胞中 会引起微丝的流动，微丝流动进而促进胞质环流。环流从周质起始，从细胞中心流向纺锤体。另一方面，Arp2/3复合体形成的微丝还起着抑制分裂环过早收缩的作用。 这些实验分析和数学模型证实这一动态促进纺锤体的周质定位纺锤体的周质定位对卵原细胞的不等分裂起关键作用。

   不孕症和出生缺陷与卵细胞发育息息相关。临床上，若卵原细胞不能正确进行不等分裂以排出极体，则形成的卵细胞一般不能受孕，或者即使受孕也不能进一步发育。 这项工作揭示了微丝在纺锤体周质定位中的重要作用，深入研究这种机制可以防止纺锤体错误移位，因此对发展体外辅助生殖技术有一定意义。

Cdc42在细胞极性中扮演的重要角色

   在另外一篇文章“Flippase-mediated phospholipid asymmetry promotes fast Cdc42 recycling in dynamic maintenance of cell polarity”中，这个研究组深入研究了Cdc42在出芽酵母细胞极性中扮演的重要调控作用。以前的研究表明，Cdc42是细胞极性建立过程中的关键分子，在一个非极性细胞中，Cdc42随机分布在细胞内，而当被激活的时候，这一分子就会富集到细胞膜上。当细胞膜上某些部分的Cdc42就比其它地方多至一定程度后，就会启动一系列下游生物过程，最终细胞会在Cdc42高浓度处进行出芽。以往的研究表明微丝骨架的动态和Cdc42的极性化形成可能存在一个正反馈机制。在这篇文章中，李戎研究组进一步揭示了磷脂脂膜不对称分布对Cdc42极性定位的调节机制。 

   几十年前，科学家们认为细胞极性也许是由外部因素，比如细胞外的空间化学信号决定的，而这项研究证明细胞无需外部信号，也能进行极化，这说明细胞内部具有极化和出芽能力。

细胞“动态”研究技术

   那么针对细胞动态行为的研究，采用了哪些技术呢，李戎研究组介绍道，“除经典的分子生物学技术外，这一研究所涉及的技术包括显微注射， 活细胞激光共聚焦成像，以及时空联合图像相关性波谱技术。

   不同于一般的培养细胞系，卵原细胞内外源蛋白表达如荧光蛋白的表达不能依赖常规的细胞转染技术，而是要将体外转录的信使RNA通过显微注射引入细胞。另外为了定量分析微丝和胞质环流，我么采用了时空联合图像相关性波谱技术。这一技术通过测量激光共聚焦系列图像中荧光分子强度涨落的相关性来定量细胞内流动物体速度的大小和方向。”

   在这些研究中采用了一种称为荧光涨落谱（Fluorescence Fluctuation Spectroscopy）方法。这是一种用于分析分子浓度，运动，以及复合物多聚体形成的有力方法，它通过分析荧光强度的微小涨落来获取相关信息。这两篇文章利用的荧光相关性波谱技术(FCS)就属于该项技术的一种。在细胞生物学研究中，荧光涨落波谱技术一般用于对动态系统的分析。

细胞动态研究的思路与知识

   李戎研究组聚焦于细胞骨架与细胞极性等方面的研究，这是许多细胞功能诸如细胞运动，分裂，分化的基础，开展这项研究对于理解生命奥秘，发现疾病机制有重要意义。他们的研究思路主要是在研究过程中，试图回答该领域的前沿问题，并且注重应用新技术来解决领域内的重要问题。

   在谈到这一研究领域的知识背景的时候，李戎认为，“细胞骨架和极性研究属于经典的细胞生物学研究领域。除扎实的生物化学与分子生物学知识外，这一领域着重动态过程的追踪，这要求研究者掌握前沿的显微镜成像技术，以及熟练的图像分析技能。

   细胞骨架和细胞极性建立均为动态过程，这还要求研究者有一定的生物物理学知识，能够从物理学的角度来理解如细胞内力的产生等重要现象。 最后，复杂的生物过程往往需要建立数学模型来加以理解，相当的数学知识会有助于这一领域的研究”

了解李戎实验室更多信息，请查看：http://research.stowers-institute.org/ronglilab/

（生物通：王蕾）

原文摘要：
Flippase-mediated phospholipid asymmetry promotes fast Cdc42 recycling in dynamic maintenance of cell polarity.
Nat Cell Biol. 2012 Feb 19;14(3):304-10. doi: 10.1038/ncb2444.
Dynamic maintenance of asymmetric meiotic spindle position through Arp2/3-complex-driven cytoplasmic streaming in mouse oocytes.
Nat Cell Biol. 2011 Aug 28;13(10):1252-8. doi: 10.1038/ncb2320.

作者简介：
李戎教授：Rong Li is currently an investigator in the Stowers Institute for Medical Research.  Before joining Stowers Institute, she was a faculty member of Harvard Medical School.  She received both her B. S. and M. S. degrees from Yale University in 1988. In 1992, she earned her doctorate degree from the University of California, San Francisco. Prior to being appointed as Assistant Professor of Cell Biology in Harvard, Dr. Li carried out postdoctoral research at the University of California, Berkeley. In 2005, Dr. Li moved her laboratory to the Stowers Institute for Medical Research.  

研究重点：I.细胞骨架与细胞极性（Cytoskeleton and cell polarity）
          II. 荧光涨落谱方法及其活细胞应用（Fluorescence Fluctuation Spectroscopy and its application）
          III. 细胞非整倍体/多倍体化与适应性进化（Aneuploidy/polyploidy and adaptive evolution）
          IV. 常染色体显性多囊肾病（Autosomal dominant polycystic kidney disease）