细胞质流动是一种细胞大小传感器，在细胞后期进行缩放

Afonso等人表明，在后期，染色体运动可以由大的细胞质流动驱动。这些动力蛋白依赖的细胞质流动随细胞大小而扩大，在较小的细胞中减慢，从而在后期扩大。

　　

细胞质流：细胞大小的 “传感器”—— 调控细胞分裂的新机制

近日，来自日内瓦大学（University of Geneva）生物化学系的 Olga Afonso、Ludovic Dumoulin、Karsten Kruse 以及 Marcos Gonzalez-Gaitan 等研究人员在《Nature Cell Biology》杂志上发表了题为 “Cytoplasmic flow is a cell size sensor that scales anaphase” 的论文。该研究揭示了细胞质流在细胞分裂过程中作为细胞大小 “传感器” 的关键作用，为理解细胞分裂机制提供了全新视角，对深入探究细胞生物学领域的基础理论具有重要意义。

一、研究背景

在早期胚胎发育过程中，细胞经历快速有丝分裂周期，且无间期，这导致细胞体积不断减小。在此过程中，细胞必须具备精确的调控机制，以确保细胞结构与细胞大小保持比例关系。核包膜重建（NER）在细胞分裂中至关重要，其发生位置需精准调控，若无法适应细胞大小变化，可能出现核包膜在细胞边界外重建的异常情况。

染色体分离与 NER 紧密协调，NER 的时间和位置分别由染色体底物的去磷酸化速率以及染色体从中区分离的速度决定。然而，此前对于 NER 如何根据细胞大小调整其位置的具体机制，科学界尚不清楚。这一空白促使研究人员深入探索，以揭示细胞分裂过程中这一关键调控机制的奥秘。

二、研究材料与方法

1. 实验材料：研究选用斑马鱼胚胎作为主要实验材料，利用多种转基因斑马鱼品系，如用于可视化染色体的 Tg (h2afva:h2afva - GFP) 和 Tg (Ef1α:H2B - mCherry)，观察线粒体的 Tg (Ef1α:MLS - GFP)，以及研究微管的 Tg (bactin2:HsENSCONSIN17 - 282 - 3xEGFP) 和 Tg (actb2:EGFP - Has.DCX) 等。同时，使用多种标记物和药物，如荧光小麦胚芽凝集素（WGA - 640）、绿色荧光蛋白标记的核定位信号（GFP - NLS）、针对磷酸化组蛋白 H3（pH3 - s10）的荧光抗体、微管解聚药物 SBTub3 - P 等，辅助实验观察与调控。
2. 实验方法：采用活细胞成像技术，对胚胎从受精后 30 分钟到 3 小时的发育阶段进行观察，获取高分辨率的细胞分裂过程图像。运用粒子成像测速（PIV）分析技术，对细胞质流的速度和涡度进行量化分析，从而揭示细胞质流的动态变化。此外，通过注射各种标记物和药物，如抑制蛋白功能的 p150 - CC1、抑制肌动蛋白聚合的 latrunculin B 等，探究不同因素对细胞分裂和细胞质流的影响。还进行了光诱导微管解聚实验，以研究微管在细胞质流中的作用机制。
3. 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。

三、研究结果

3.1 NER 位置随细胞大小变化而调整

研究人员在斑马鱼早期胚胎发育过程中，系统测量了 4 - 512 细胞阶段后期 NER 的时间和位置。他们使用 WGA - 640 标记糖基化核孔蛋白，通过 GFP - NLS 监测核包膜封闭和功能核转运系统的形成来确定 NER 时间。结果发现，NER 时间与细胞大小无关，WGA 在后期开始后 113 ± 3 秒被招募，NER 在 271 ± 18 秒发生。但 NER 位置与细胞大小成正比，即细胞越小，NER 发生时染色体间的距离越短。

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。

3.2 细胞质流在后期出现

研究人员通过观察线粒体在早期斑马鱼胚胎中的运动，发现细胞质流在后期出现。利用 PIV 分析表达线粒体靶向肽标记 GFP 的转基因胚胎，揭示了细胞质流的模式，其速度在染色体分离轴上最大，且在后期纺锤体周围形成涡旋。

研究还发现，细胞质流不仅能移动线粒体，还能带动其他细胞器，如内源性脂滴和缺乏运动蛋白的注射脂滴，它们的运动模式与线粒体一致，这表明染色体也可能被细胞质流移动。此外，在后期 B 阶段，邻近染色体的线粒体流场的速度和方向与染色体本身匹配，进一步支持了细胞质流移动染色体的观点。

3.3 微管对细胞质流至关重要

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。

3.4 运动驱动的细胞器拖拽产生细胞质流

研究发现微管聚合本身不能产生细胞质流，而由动力蛋白驱动的细胞器运动可能是细胞质流的产生原因。动力蛋白将包括线粒体在内的大量货物向微管负端运输，货物在粘性细胞质中的运动产生的拖拽力可使微管向相反方向位移。

通过对线粒体运动的定量分析，发现线粒体运动轨迹存在两种模式：快速向星体中心的定向运动和与细胞质流方向和速度相同的慢速运动。注射抑制动力蛋白功能的 p150 - CC1 后，后期 B 阶段线粒体的快速运动减少，流模式消失，染色体速度受到强烈影响，证明动力蛋白通过移动大量货物在微管网络中产生细胞质流。

3.5 限制作用调节细胞质流

研究表明，NER 缩放由染色体运动速度缩放介导，而染色体运动速度缩放又由细胞质流介导。实验发现，靠近染色体的细胞质流速度随细胞大小缩放，且与染色体速度相关，而纺锤体中区等其他区域的流速度与染色体速度和方向均无相关性。

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。

该研究不仅为细胞分裂过程中的调控机制提供了新的见解，还为后续研究细胞生物学中其他相关过程奠定了重要基础，有望推动细胞生物学领域对细胞大小调控和细胞结构组织的深入理解。