技术路线:首先,通过标记物标记相关细胞结构,利用活细胞成像系统观察细胞分裂过程中 NER 的时间和位置变化,以及染色体的运动轨迹。然后,借助 PIV 分析线粒体运动来研究细胞质流的特征和动态变化。接着,通过药物处理和基因操作,如抑制肌动蛋白聚合、微管解聚、抑制动力蛋白功能等,探究不同因素对细胞质流和染色体运动的影响。最后,结合理论模型和数值模拟,深入分析细胞大小、细胞质流与 NER 位置之间的关系,全面揭示细胞分裂过程中的调控机制。
通过对染色体磷酸化状态的研究,发现去磷酸化速率和 NER 的磷酸化阈值均不随细胞大小改变。这表明,为了解释 NER 位置的缩放,染色体速度必然与细胞大小相关。进一步分析发现,在后期 A 和 B 阶段,染色体以不同速度移动,后期 B 阶段的速度()在所有细胞大小范围内都有显著缩放,而后期 A 阶段的速度()仅在最小的细胞中有轻微缩放,这解释了 WGA 招募位置恒定而 NER 位置缩放的现象。
研究人员观察到偶尔出现的无 DNA 分裂细胞,这些细胞虽未形成有丝分裂纺锤体,但在后期产生两个星体且显示出细胞质流和涡旋,这表明细胞质流并非染色体位移的被动结果。
通过对肌动蛋白和微管在细胞质流中作用的研究发现,从后期开始,大量肌动蛋白在细胞质中逐渐解聚,主要存在于细胞皮层。用 latrunculin B 处理部分抑制细胞质肌动蛋白聚合后,细胞质流模式保持,但时间改变,且不影响 NER 的位置和缩放,排除了细胞质肌动蛋白丝是细胞质流起源的可能性,表明肌动蛋白网络可能是细胞质流出现的促进因素。
利用光激活微管解聚药物 SBTub3 - P 处理细胞,发现抑制微管生长会导致线粒体流涡旋消失和染色体速度降低,这表明微管对细胞质流至关重要。
测量与细胞质流相关的生化特征,如微管密度、微管生长、星体大小、星体生长速度、线粒体密度等,发现这些特征在不同大小的细胞中均无显著变化。通过数值研究模拟细胞大小变化对细胞质流的影响,发现限制作用(细胞大小减小对星体的边界效应)可导致细胞质流缩放,进而使 NER 位置缩放。实验中通过卵黄抽吸减小胚胎细胞大小,以及对胚胎进行图案化处理改变细胞长宽比,均证实了限制作用对 NER 位置缩放的决定性作用。
四、研究结论与讨论
本研究明确了细胞质流是后期染色体分离的关键机制,它能够提供细胞大小信息,并介导 NER 位置的缩放。这一机制基于五个重要发现:NER 位置随细胞大小缩放;NER 缩放源于染色体速度缩放;染色体由后期出现的细胞质流推动;细胞质流由动力蛋白驱动的货物与粘性细胞质之间的摩擦拖拽产生;细胞质流通过在逐渐减小的细胞中的物理限制作用实现缩放。
细胞质流在限制条件下足以缩放染色体速度,从而决定 NER 位置。这一发现揭示了细胞如何在分裂过程中精确调控核包膜重建位置,以适应细胞大小的变化。同时,研究还发现细胞质流可能是一种普遍、简单的机制,用于缩放细胞质内其他细胞结构或过程,如纺锤体定位、核间距或果蝇合胞体胚层中形态发生素梯度的长度等。