时间间隔突破:科学家捕获早期胚胎细胞分裂的秘密

生命的开端笼罩在神秘之中。虽然有丝分裂的复杂动力学在所谓的体细胞(具有特殊功能的细胞，如皮肤细胞和肌肉细胞)中得到了很好的研究，但它们在我们身体的第一个细胞——胚胎细胞中仍然是难以捉摸的。

　　

生命的开端笼罩在神秘之中。虽然体细胞有丝分裂的复杂动力学得到了很好的研究，但胚胎细胞的有丝分裂仍然是难以捉摸的。众所周知，在脊椎动物中研究胚胎有丝分裂是非常困难的，因为活体功能分析和实验胚胎的成像在技术上是有限的，这使得在胚胎发生过程中很难追踪细胞。

然而，冲绳科学技术研究所(OIST)细胞分裂动力学部门的研究人员最近在《自然通讯》上发表了一篇论文，利用新型成像技术、CRISPR/Cas9基因组编辑技术、现代蛋白质敲低系统结合青鳉鱼(Oryzias latipes)，这项研究朝着回答有关胚胎有丝分裂的问题迈出了重要的第一步。

有丝分裂纺锤体组装的机制已经在小体细胞中得到了广泛研究。然而，大型脊椎动物胚胎纺锤体组装的机制仍然知之甚少。冲绳科学技术研究所(OIST)细胞分裂动力学部门的研究人员通过结合CRISPR敲入和生长素诱导脱胚技术，建立了青鳉鱼 (Oryzias latipes)胚胎的功能检测系统。实时成像揭示了微管组织和中心体定位的几个意想不到的特征，实现了快速，准确的切割。重要的是，Ran-GTP在早期胚胎中期纺锤体中心组装密集的微管网络，这对染色体分离至关重要。这种独特的纺锤体结构在胚期后被重塑为典型的短体状纺锤体，此时Ran-GTP在染色体分离中变得不可或缺。尽管存在着中心体，但染色体来源的Ran-GTP途径在大型、快速分裂的脊椎动物早期胚胎的纺锤体组装中起着至关重要的作用，类似于卵母细胞中的无胞体纺锤体组装。

与哺乳动物的早期胚胎相比，鱼类的胚胎细胞是透明的，并且在统一的单细胞层中同步发育，这使得它们更容易被追踪。事实证明，青鳉鱼能忍受各种温度，每天产卵，而且基因组相对较小，很适合研究。耐高温意味着青鳉鱼胚胎细胞可以在室温下存活，这使得它们特别适合于长时间的实时延时摄影。

青鳉鱼经常产生卵子，并且基因组大小相对较小，这使它们成为CRISPR/ cas9介导的基因组编辑的良好候选者。利用这项技术，研究人员构建了转基因青鳉鱼，其胚胎细胞确实突出了参与有丝分裂的某些蛋白质的动力学。

在研究活的转基因青鳉鱼胚胎中有丝分裂纺锤体发育的延时拍摄时，研究人员发现，大型早期胚胎组装的纺锤体不同于体细胞纺锤体。在胚胎早期分裂中，Ran-GTP在纺锤体形成中起决定性作用，但在后期胚胎中其重要性减弱。这可能是因为随着细胞在发育过程中变得更小，纺锤体结构被重塑了，确切的原因还有待研究。

研究人员还发现，早期胚胎细胞没有一个专用的纺锤体组装检查点——组装检查点是大多数体细胞的特征，它可以确保染色体在分离前正确排列。正如清光教授推测的那样，“检查点不活跃，但染色体分离仍然非常准确。这可以用胚胎细胞需要快速分裂的事实来解释，但这是我们想要进一步研究的东西。”

虽然对青鳉鱼的基因改造和对早期胚胎的研究已经获得了对胚胎有丝分裂的新的关键见解，但这只是清光教授和他的团队的开始。除了有关在后期阶段Ran-GTP的作用减弱和缺失纺锤体组装检查点的问题外，他还提出:“纺锤体形成的特征是高度对称，因为细胞似乎在按大小和确定的方向分裂，纺锤体始终位于细胞的中心。纺锤体是如何在细胞间如此有规律地定向的，它又是如何每次都能找到中心的?”

研究小组还希望通过额外的青鳉鱼基因系进一步巩固这一新的基础，作为胚胎细胞研究的模型，同时优化基因组编辑过程。最终，该团队希望通过研究其他生物体的胚胎有丝分裂来测试他们的发现的普遍性，并在后期阶段，他们希望探索纺锤体组装和胚胎分裂的进化，这也将有助于更好地理解人类胚胎发生，并开发人类不孕症的诊断和治疗。有了这篇论文，我们奠定了坚实的基础，但我们也开辟了一个新的领域。胚胎有丝分裂是美丽的、神秘的、具有挑战性的研究，我们希望通过我们的工作，我们最终能更接近于理解生命开始时的复杂过程。”该研究的资深作者Tomomi Kiyomitsu教授说。