Nature：细胞周期“管弦乐队”如何演奏出意想不到的“新曲子”

　　

加州大学旧金山分校的科学家们发现，多纤毛细胞适应了众所周知的细胞分裂过程，产生了数百根纤毛。

令人敬畏的细胞分裂过程可以使受精卵变成婴儿，也可以使癌细胞变成恶性肿瘤。在如此利害攸关的情况下，大自然在一个被称为细胞周期的过程中对其进行了严格控制，科学家们认为他们已经完全了解了这个过程。

但现在看来，还有更多需要了解的。加州大学旧金山分校的科学家们发现，细胞也可以利用细胞周期来控制它们如何长出被称为纤毛的毛发状突起。

“细胞周期已经被深入研究了几十年，在这里，我们发现它以一种新的方式起作用，这条老狗——细胞周期——比我们意识到的要狡猾得多。”Jeremy Reiter博士说，他是加州大学旧金山分校生物物理学和生物化学教授，也是该论文的高级作者，该论文发表在《自然》杂志上。

打破规则可以预防癌症

多毛细胞对人体健康至关重要。在肺部，它们的纤毛来回摆动以防止粘液等液体聚集。在生殖系统中，它们帮助卵子通过输卵管进入子宫。在大脑中，它们清除脑脊液，清除废物。当它们失灵时，严重的疾病随之而来。

Reiter和他的同事们想要了解这些细胞是如何发育的，所以他们使用了一种叫做单细胞RNA测序的技术来观察肺中单个多纤毛虫细胞中哪些基因是开启的，哪些是关闭的。

他们在不同的成熟阶段捕捉到了纤毛，希望能窥见纤毛生长所需的基因指令，并发现了一种类似细胞周期的模式。

先前的研究发现，在纤毛生长过程中，一些被称为细胞周期蛋白的细胞周期蛋白以及在细胞分裂过程中固定两组染色体的中心粒都很活跃。

然而，Reiter的研究小组发现，许多细胞周期基因，远远不止细胞周期蛋白，在肺细胞中高水平表达，即使细胞没有分裂。

Reiter实验室研究员、论文第一作者Semil Choksi博士说:“在发育多毛细胞的过程中，我们看到了细胞周期调节因子(如细胞周期蛋白和CDKs)的顺序表达，这与我们期望在干细胞中看到的相同。”

显然，这不是典型的细胞周期。首先，这种可选择的细胞周期，或者科学家们称之为“多分裂周期”，产生了异常多的中心粒，远远超过细胞分裂过程中产生的四个中心粒。

“如果在细胞周期中出现问题，产生过多的中心粒，就会导致癌症，”Choksi说。“不知何故，这种严格的癌症预防规则，每个细胞不超过四个中心粒，在多纤毛虫细胞中被特别打破，产生了数百个中心粒。”

细胞管弦乐队演奏一些新的东西

Choksi和Reiter仔细观察了肺细胞的多分裂周期与干细胞分裂的经典细胞周期有何不同。一个名为E2F7的特殊基因脱颖而出。它在干细胞中表达中等，但在成熟的多毛细胞中表达明显高。

事实上，在动物模型中，当E2F7完全丧失功能或被敲除时，多毛细胞无法正常发育，导致大脑出现问题。

Reiter说:“我们认为进化的一个关键因素可能是通过上调E2F7，将典型的细胞周期转变为多细胞周期。”

科学家们随后发现，缺乏E2F7的多毛细胞开始合成新的DNA——这是细胞分裂的标志。数以百计的中心粒被卡在细胞体中，这些中心粒原本是用来在细胞表面最终形成纤毛的。

如果细胞周期就像一个分子管弦乐队演奏的特定乐谱，那么E2F7就是一个新的指挥，引导管弦乐队中的相同乐器演奏新的曲调，即多调解周期。

“进化显然已经适应了细胞周期，以执行各种细胞项目，远远超出细胞分裂，看到它还能做什么，将是令人兴奋的。”