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《Cell》有趣發現:有些細胞在復制之前需要“理個發”

日期:2017-01-16 10:02:39

 我們的許多細胞都裝備了一條毛茸茸的“天線”,將外部環境相關的信息傳遞給細胞,科學家們已經發現,這些所謂的原纖毛的出現和消失,都是與細胞復制過程(稱為有絲分裂)同步的。現在,約翰霍普金斯大學的細胞生物學家報道稱,他們進一步闡釋了“這種‘脫發’和細胞復制,是如何通過戲劇性的纖毛尖端削剪(科學們稱之為斬首)而相互關聯的”。 相關研究結果發表在112日的《Cell》雜志上。

 

研究人員說,這一新信息是更好地理解“細胞如何決定進行有絲分裂”的關鍵,這一過程對于生物體的發育、組織的維持和癌癥的形成,是不可或缺的。他們也希望,這項工作能揭示纖毛相關疾病,如多囊腎病,以及某些智力殘疾。

 

這項研究的負責人、約翰霍普金斯大學醫學院細胞生物學副教授Takanari Inoue博士說:“纖毛斬首此前已經被觀察過,但從未進行過探索。我們現在知道,這是一個正常的過程,而不僅僅是在一定的實驗條件下發生的事情。我們已經確定了驅動它的分子機制。”

 

像小型貨車上的天線一樣,初級纖毛是出現在腎臟、大腦、視網膜和內耳等器官內的細胞上的微小結構,并為細胞提供了外部流體的流動和化學方面的信息。

 

當一個細胞不分裂時,稱為靜止狀態,絕大多數的細胞結構是不斷變化的,但初級纖毛是相對穩定的。Inoue和他的團隊試圖了解,是什么原因致使一個細胞退出靜態并開始有絲分裂時發生“理發”,在有絲分裂過程中,復制的染色體分裂并填入兩個新“姊妹”細胞中。

 

他們首先比較了具有更多和更少Inpp5e酶的細胞,而以前的研究認為認為這種酶參與了纖毛的穩定性。向靜態小鼠胚胎細胞中的纖毛膜加入熒光標記后,研究人員拍攝了纖毛的尖端。它們似乎被切斷,并且每隔幾小時就漂走一次。

 

在缺失Inpp5e基因的細胞中,當給予細胞進行有絲分裂的信號刺激時,“斬首”率比較高。但是,當科學家們向Inpp5e蛋白添加了一個分子代碼時——這樣它會聚集在纖毛,斬首率就大大下降。Inoue說,這表明Inpp5e在纖毛中的存在,可停止斬首過程,并且有絲分裂信號可將Inpp5e從纖毛中排出,以促進斬首過程。

 

Inoue說:“因為Inpp5e基因突變與朱伯特綜合征有關,其特征是腦發育異常和智力障礙,我們現在懷疑Inpp5e會影響大腦發育。”

 

Inpp5e的作用是抑制來自纖毛膜的一個脂肪樣分子,稱為PIP2。結合PIP2的一個熒光標記向研究人員顯示,纖毛中的PIP2濃度,尤其是尖端附近,也是同步的:在細胞接收到有絲分裂信號后PIP2積累在纖毛尖端,在PIP2積聚部位纖毛被削去。

 

因為PIP2在線狀結構(由肌動蛋白形成)的形成中發揮關鍵的作用,該研究小組利用一種熒光生物傳感器,來測量和可視化纖毛種這些結構的形成。在由于缺乏Inpp5e而含有過量PIP2的纖毛中,研究人員發現線的形成增加了十倍。此外,他們看到,線形成只是提前幾分鐘發生在斬首的部位。

 

Inoue說:“我們認為,線的形成實際上提供了砍斷纖毛的力量。”

 

為了弄清斬首對纖毛拆卸有何影響,Inoue實驗室的研究生和論文的主要作者Siew Cheng Phua,設計了一種方法來停止纖毛內的線形成。她發現,這些線對于纖毛拆卸是至關重要的,并且斬首過程是纖毛全拆卸所必需的。

 

接下來,研究小組分析了纖毛斬首的時機。使用一種熒光標記彩虹,研究人員隨后跟蹤了具有纖毛的細胞,從靜止期細胞通過其過渡期到有絲分裂,這整個過程。纖毛呈藍色,細胞的細胞核由黃變紅變暗。在正常細胞中,纖毛斬首普遍發生,而細胞仍處于靜止狀態(黃色核),然后過渡到有絲分裂(暗核)。但是在其纖毛不能形成線的細胞中,不能削剪纖毛與從靜止到有絲分裂的過渡較慢相關。

 

Inoue說:“不知何故,斬首可觸發纖毛萎縮;它們縮水超過了削剪。同時,這給細胞發送信號,告訴它們是時候退出靜止并開始分裂。”

 

當他們與日本的研究人員合作分析斬首的纖毛尖端的內容物時,他們發現,大多數分子對于細胞信號和纖毛生長是很重要的,這意味著斬首可調整纖毛的組成和功能。

 

根據Phua介紹,修剪纖毛的尖端,也可能具有臨床意義。最近的研究表明,多囊腎病患者尿液中含有封閉在包膜中的微小囊泡。Inoue說,很有可能它們是纖毛尖端,并且它們在疾病發展中起了重要作用,但需要更多的研究來證實這個想法。

 

Phua補充說:“纖毛的異常感覺功能與一些癌癥有關,如皮膚和腦腫瘤。纖毛斬首和有絲分裂之間的新聯系,可以幫助我們了解‘初級纖毛缺陷如何影響異常的細胞分裂,從而產生的腫瘤的形成’。”

 


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