Science解开细胞分裂重要谜题

　　

生物通报道  细胞分裂过程对生命至关重要（延伸阅读：Nature：卡住细胞分裂的齿轮 ）。自维多利亚时代细胞生物学出现以来，细胞分裂的最后阶段——两个子细胞彼此分离的过程一直让科学家们感到着迷。然而在过去很长的时间里，要研究最后的一步即分裂细胞在一分为二之前形成分裂沟（furrow）的过程却极为困难。

早期的生物学家将这一过程命名为“胞质分裂”（ cytokinesis），被解读为是“细胞运动”以及一系列高度活跃及组织化的事件。科学家们现在对与之相关的蛋白质和它们的行为有了更多的了解，但有一个重要的谜题仍然未解：细胞是如何向分裂沟处发送信号的？

出现这一盲点的一个简单原因在于：难以在活细胞中看到及检测这样复杂的过程。现在，哈佛医学院的系统生物学家在《科学》（Science）杂志上报告称，他们在无细胞的条件下重建了胞质分裂——包括了指挥分子交通的一些信号。结合蛙卵提取物和模拟细胞膜的脂质膜，他们构建出了一个无细胞系统重演分裂沟的组装过程。

这一无细胞系统具有两个巨大的优点：其扩大了分裂沟构建事件的规模，使得观察它们变得更为容易，并为研究人员提供了一种简单的方法操控相关蛋白。当细胞完整无损时，很难做到快速地除去及恢复某些蛋白来观察作用分子的改变对于胞质分裂的影响，而当细胞的内部结构散布在显微镜载玻片上之时则变得很容易。

关键的挑战在于胞质分裂行为完全依赖于细胞膜来形成分裂沟——而构建这一无细胞系统则必须除去细胞膜。认识到可利用玻璃上由两层人工脂质构成的一个受控平板膜，来替代弯曲的、不断移动的复杂细胞膜，使得这项研究工作成为可能。

哈佛医学院系统生物学教授Timothy Mitchison说：“我们真正构建出了细胞中发生的事件。我们相信我们的工作不仅朝着理解分裂沟的组装过程迈进了一步，更广泛地说，还推动了认识胞质分裂信号传导的生物物理学。”

该研究团队包括共同资深作者Mitchison和哈佛医学院系统生物学讲师Christine Field，共同主要作者、化学生物学研究生Phuong Nguyen，以及系统生物学研究员Aaron Groen。

工作伊始研究人员轻轻破碎了来自非洲爪蟾的未受精卵细胞，分离出了它们的内容物。以往科学家们曾利用这些卵抽提物重建了有丝分裂纺锤体。哈佛医学院的这一研究小组则更进了一步。

一开始，科学家们转向了他们的分子储存物，提出了用这些构件来充当人工中心体以及荧光标记的微管。他们随后模拟了受精过程，通过添加标记抗体，利用荧光显微镜成像了细胞分裂过程所需的一些结构的自组装过程，而这是利用组织培养物中的活细胞不可能做到的事情。

最后的组成部分是细胞膜模型。

Field说：“为了真正证明我们重建出了胞质分裂信号，我们需要添加双分子层膜，然后看它能否招募细胞表层的一些蛋白质。这就是我们在寻找的发送给细胞膜的信号。”

科学家们能够看到这一信号部分原因在于Field选择将肌动蛋白（actin）纳入到了他们的系统中。由于这一细胞成分使得很难用卵细胞提取物开展实验因此往往被清除。肌动蛋白在细胞中的工作像装配在一起的乐高积木一样，就是组装成长肌动蛋白纤维（微丝）和网状组织。

微丝提供了支架，使得其他的细胞成分，包括细胞膜能够移动和改变形状。因此Field推断，尽管使用肌动蛋白存在困难，将其纳入系统中来重演与形成分裂沟相关的信号极为重要。

Nguyen 说：“微管信号不仅发送到了质膜，也发送到了形成质膜顶部的肌动蛋白层（actin cortex）。只有在存在肌动蛋白的情况下才能看见这一现象。”

有多个信号复合物在分裂沟处起作用，微管与肌动蛋白层及细胞膜都进行了“对话”。

Groen说：“这一系统的巧妙之处在于，根据个别的结构组件：肌动蛋白、微管和细胞膜重建了胞质分裂。现在我们可以开始在空间上操控这些组件，这是在活细胞中无法办到的。我对着这些可能性感到非常的兴奋。”

Mitchison说，他们从事的是最基础的理论知识研究工作，但细胞分裂对于胚胎发育、干细胞更新和癌症均至关重要。

“例如，我们谈论的这些过程同样发生于生成新血细胞的骨髓中。因此明确地了解这一生物学与许多的疾病类型有关联。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Spatial organization of cytokinesis signaling reconstituted in a cell-free system

During animal cell division, the cleavage furrow is positioned by microtubules that signal to the actin cortex at the cell midplane. We developed a cell-free system to recapitulate cytokinesis signaling using cytoplasmic extract from Xenopus eggs. Microtubules grew out as asters from artificial centrosomes and met to organize antiparallel overlap zones. These zones blocked the interpenetration of neighboring asters and recruited cytokinesis midzone proteins, including the chromosomal passenger complex (CPC) and centralspindlin. The CPC was transported to overlap zones, which required two motor proteins, Kif4A and a Kif20A paralog. Using supported lipid bilayers to mimic the plasma membrane, we observed the recruitment of cleavage furrow markers, including an active RhoA reporter, at microtubule overlaps. This system opens further approaches to understanding the biophysics of cytokinesis signaling.