《Cell》有趣发现：有些细胞在复制之前需要“理个发”

细胞之家

我们的许多细胞都装备了一条毛茸茸的 “天线”，将外部环境相关的信息传递给细胞，科学家们已经发现，这些所谓的原纤毛的出现和消失，都是与细胞复制过程（称为有丝分裂）同步的。现在，约翰霍普金斯大学的细胞生物学家报道称，他们进一步阐释了 “这种‘脱发’和细胞复制，是如何通过戏剧性的纤毛尖端削剪（科学们称之为斩首）而相互关联的”。 相关研究结果发表在 1 月 12 日的《Cell》杂志上。9 C9 k9 ]! a' u3 @) H% ?2 Q
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研究人员说，这一新信息是更好地理解 “细胞如何决定进行有丝分裂” 的关键，这一过程对于生物体的发育、组织的维持和癌症的形成，是不可或缺的。他们也希望，这项工作能揭示纤毛相关疾病，如多囊肾病，以及某些智力残疾。
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' T2 Z( |* O. f/ N0 m) L; p这项研究的负责人、约翰霍普金斯大学医学院细胞生物学副教授 Takanari Inoue 博士说：“纤毛斩首此前已经被观察过，但从未进行过探索。我们现在知道，这是一个正常的过程，而不仅仅是在一定的实验条件下发生的事情。我们已经确定了驱动它的分子机制。”0 O6 C- y5 }  T( W% x& A, ^5 ?/ W' |/ s
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像小型货车上的天线一样，初级纤毛是出现在肾脏、大脑、视网膜和内耳等器官内的细胞上的微小结构，并为细胞提供了外部流体的流动和化学方面的信息。/ z5 V) T! k3 g* T- [
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当一个细胞不分裂时，称为静止状态，绝大多数的细胞结构是不断变化的，但初级纤毛是相对稳定的。Inoue 和他的团队试图了解，是什么原因致使一个细胞退出静态并开始有丝分裂时发生 “理发”，在有丝分裂过程中，复制的染色体分裂并填入两个新 “姊妹” 细胞中。; i" X! m1 L5 c: i) u" {1 e7 j

$ d9 P, u+ ^/ |: y- L+ {- z3 y3 J/ q他们首先比较了具有更多和更少 Inpp5e 酶的细胞，而以前的研究认为认为这种酶参与了纤毛的稳定性。向静态小鼠胚胎细胞中的纤毛膜加入荧光标记后，研究人员拍摄了纤毛的尖端。它们似乎被切断，并且每隔几小时就漂走一次。) S) {9 j: g* z* y
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在缺失 Inpp5e 基因的细胞中，当给予细胞进行有丝分裂的信号刺激时，“斩首” 率比较高。但是，当科学家们向 Inpp5e 蛋白添加了一个分子代码时——这样它会聚集在纤毛，斩首率就大大下降。Inoue 说，这表明 Inpp5e 在纤毛中的存在，可停止斩首过程，并且有丝分裂信号可将 Inpp5e 从纤毛中排出，以促进斩首过程。$ I8 q: I3 {0 B# i" n& c! }  p

* ^! y( }, P0 \2 j& TInoue 说：“因为 Inpp5e 基因突变与朱伯特综合征有关，其特征是脑发育异常和智力障碍，我们现在怀疑 Inpp5e 会影响大脑发育。”
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1 [! Z5 Y9 k+ t4 k. L; e( vInpp5e 的作用是抑制来自纤毛膜的一个脂肪样分子，称为 PIP2。结合 PIP2 的一个荧光标记向研究人员显示，纤毛中的 PIP2 浓度，尤其是尖端附近，也是同步的：在细胞接收到有丝分裂信号后 PIP2 积累在纤毛尖端，在 PIP2 积聚部位纤毛被削去。
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因为 PIP2 在线状结构（由肌动蛋白形成）的形成中发挥关键的作用，该研究小组利用一种荧光生物传感器，来测量和可视化纤毛种这些结构的形成。在由于缺乏 Inpp5e 而含有过量 PIP2 的纤毛中，研究人员发现线的形成增加了十倍。此外，他们看到，线形成只是提前几分钟发生在斩首的部位。
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3 W) U/ l0 f/ ^) G# |! |3 P+ @Inoue 说：“我们认为，线的形成实际上提供了砍断纤毛的力量。”/ {2 A" o' G' Q+ k: P$ j

- j5 J! e! E: Q1 e; ~( k# }为了弄清斩首对纤毛拆卸有何影响，Inoue 实验室的研究生和论文的主要作者 Siew Cheng Phua，设计了一种方法来停止纤毛内的线形成。她发现，这些线对于纤毛拆卸是至关重要的，并且斩首过程是纤毛全拆卸所必需的。
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接下来，研究小组分析了纤毛斩首的时机。使用一种荧光标记彩虹，研究人员随后跟踪了具有纤毛的细胞，从静止期细胞通过其过渡期到有丝分裂，这整个过程。纤毛呈蓝色，细胞的细胞核由黄变红变暗。在正常细胞中，纤毛斩首普遍发生，而细胞仍处于静止状态（黄色核），然后过渡到有丝分裂（暗核）。但是在其纤毛不能形成线的细胞中，不能削剪纤毛与从静止到有丝分裂的过渡较慢相关。) {- R' }+ B) n6 n3 n9 l$ X
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Inoue 说：“不知何故，斩首可触发纤毛萎缩；它们缩水超过了削剪。同时，这给细胞发送信号，告诉它们是时候退出静止并开始分裂。”7 P% _1 [8 ?# n3 @  R* ?

* n2 ~. A0 g* B" s8 I: N当他们与日本的研究人员合作分析斩首的纤毛尖端的内容物时，他们发现，大多数分子对于细胞信号和纤毛生长是很重要的，这意味着斩首可调整纤毛的组成和功能。: }. w$ |, Z! z5 w
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根据 Phua 介绍，修剪纤毛的尖端，也可能具有临床意义。最近的研究表明，多囊肾病患者尿液中含有封闭在包膜中的微小囊泡。Inoue 说，很有可能它们是纤毛尖端，并且它们在疾病发展中起了重要作用，但需要更多的研究来证实这个想法。
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Phua 补充说：“纤毛的异常感觉功能与一些癌症有关，如皮肤和脑肿瘤。纤毛斩首和有丝分裂之间的新联系，可以帮助我们了解‘初级纤毛缺陷如何影响异常的细胞分裂，从而产生的肿瘤的形成’。”: F" f5 j1 }, F+ R9 M8 L$ v