壶菌通过独特的泡沫生成机制实现三维细胞化：一种不同于动物和酵母的新型胞质分裂模式

《Current Biology》：Cellularization in chytrid fungi uses distinct mechanisms from conventional cytokinesis and cellularization in animals and yeast

本刊推荐：为解决多核细胞如何同步分裂为均匀单核子细胞这一几何学难题，研究人员以壶菌Spizellomyces punctatus为模型，开展了关于三维细胞化机制的研究。结果发现，壶菌通过肌动球蛋白收缩力和纤毛发生样机制，构建空间填充的多面体隔室泡沫（蜂窝状结构），成功实现volumetric cellularization。该研究揭示了细胞骨架 machinery 在解决复杂空间分割问题中的创新应用，为理解真核生物细胞分裂机制的演化提供了新视角。

　　

在生命世界的微观战场上，细胞分裂是最基本的繁殖方式。动物细胞和酵母通常采用"常规胞质分裂"模式：在一次核分裂后，两个子核一字排开，细胞中间形成一道沟槽状膜内褶，像拉链一样逐渐加深，最终将母细胞一分为二。果蝇胚胎发育时则上演更宏大的场面：数百个细胞核先迁移到胚胎表层，排列成单层，随后通过"平面细胞化"过程同时分裂，形成表面细胞层。然而，自然界中还存在一种更为复杂的第三维细胞化方式，其主角是一类古老而神秘的真菌——壶菌。

壶菌作为水生环境中的重要分解者和某些两栖类致命病原体的元凶，其生命周期中有一个关键环节：一个包含数十个细胞核的"孢子囊"需要同步分裂，产生大量带鞭毛的游动孢子。与果蝇核排列在表面不同，壶菌的核分散在整个细胞质中，这带来了独特的几何学挑战——内部核如何获得膜分割信号？细胞如何构建复杂的分割平面将每个核单独包裹？这些谜题一直困扰着科学家。

为了揭开壶菌细胞化的神秘面纱，研究团队利用新开发的遗传工具，以模式壶菌Spizellomyces punctatus为研究对象，通过活细胞成像、激光切除和药物干扰等先进技术，实时捕捉并解析了这一复杂过程。研究发现，壶菌采用了一种前所未有的"泡沫生成"机制：不是形成沟槽状褶皱，而是构建由管状膜内褶分支融合形成的多面体蜂窝结构，将细胞质同步分割成均匀的单核隔室。这一发现不仅挑战了对细胞分裂的传统认知，更展示了细胞如何利用保守的分子机器解决复杂空间问题的创新策略。

主要关键技术方法包括：利用Agrobacterium tumefaciens介导的转化技术构建表达荧光标记蛋白（如Lifeact-mClover3、MRLC-mClover3、mClover3-α-Tubulin等）的Spizellomyces punctatus工程菌株；通过同步化培养和活细胞延时成像技术（共聚焦显微镜）实时观测细胞化过程；应用药物干扰（如诺考达唑破坏微管、Latrunculin B抑制肌动蛋白聚合、para-amino-blebbistatin抑制肌球蛋白II活性、布雷菲德菌素A阻断高尔基体膜运输）分析细胞骨架和膜运输的作用；采用激光切除技术结合粒子图像测速法分析细胞化结构的张力特性。

Membranes colocalize with actin and myosin-II to form a three-dimensional cellularization foam

研究发现壶菌细胞化高峰期，每个均匀分布的核都被膜多面体包围，相邻多面体共享面，形成紧密堆积的蜂窝状结构——"细胞化泡沫"。这一过程经历五个阶段：质膜形成球形内褶（阶段1），延伸为管状褶皱（阶段2），管状褶皱分支融合（阶段3），形成充满母细胞的多面体网络（阶段4），最后同步分离为子细胞（阶段5）。肌动蛋白和肌球蛋白II与膜共定位，而微管形成三种结构与每个核相关：中心粒中心体、纤毛轴丝和星状微管。

Nuclear migration to the plasma membrane precedes the onset of cellularization

细胞化起始的标志是核及其中心体向质膜的迁移。在细胞化开始前10分钟，核短暂富集于皮质区，囊状褶皱初始结构在皮质核附近形成。中心体接近质膜后，与膜褶皱初始结构建立联系，这一过程与动物纤毛发生中中心体迁移和纤毛囊形成相似。

Microtubules are important for geometric patterning but are not necessary for cellularization

微管在细胞化中起图案化作用而非必需。诺考达唑处理导致细胞化多面体大小不均、边缘弯曲、顶点圆润，子细胞体积减小14%且变异增大，但细胞化仍能完成，只是子细胞缺乏纤毛。

The additional membrane needed for cellularization is sourced from the Golgi

布雷菲德菌素A处理表明，内质网-高尔基体运输阻断后，92%的孢子囊无法完成细胞化，证明细胞化所需膜主要来源于高尔基体。

Actomyosin contraction is a driving force of chytrid cellularization

肌动蛋白聚合和肌球蛋白II活性是壶菌细胞化所必需的。Latrunculin B可逆性破坏肌动蛋白网络，而para-amino-blebbistatin完全抑制细胞化进程。激光切除显示细胞化结构的快速回弹和修复反应，证明其处于张力状态。

The actomyosin furrows of early cellularization and the edges of the cellularization foam are under tension

激光切除早期细胞化褶皱和晚期泡沫边缘均引起快速回弹，粒子图像测速法分析显示切除后3-6秒出现最高回弹速度（距切除点2-4微米处），证明肌动球蛋白网络产生驱动细胞化的收缩力。

该研究系统解析了壶菌三维细胞化的分子机制，将其归纳为四个关键步骤：核迁移与中心体介导的膜褶皱起始、肌动球蛋白依赖的管状褶皱内陷、微管调控的泡沫图案化、以及高尔基体来源的膜重塑。研究首次提出"泡沫生成细胞化"概念，指出壶菌通过结合保守的胞质分裂机制和纤毛发生样机制，创新性解决了内部核的空间分割难题。这一机制可能广泛存在于其他产生多核孢子的真菌（如毛霉目真菌和球孢子菌）中，为理解重要人类病原体的发育生物学提供了框架。从物理学角度看，壶菌细胞化遵循Plateau泡沫定律，以最小表面积实现了细胞质的均匀分割，为生物系统解决复杂几何问题提供了范例。研究表明，尽管真核生物使用相似的细胞骨架机器，但可通过不同机制实现相同目标，提醒我们分子机器的保守性并不总是意味着机制的保守性。