《Cell》有趣发现:有些细胞在复制之前需要“理个发”

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年1月16日 来源:生物通

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  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。

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生物通报道: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。延伸阅读:Nature子刊:纤毛如何形成Nature Communications: 调控纤毛发生的新机制PNAS:细胞纤毛生长的关键蛋白

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。

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。”

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。

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。

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。

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。

Inoue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。”

Inpp5e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。

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。

Inoue说:“我们认为,线的形成实际上提供了砍断纤毛的力量。”

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。

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。

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。”

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。

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。

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’。”

生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Dynamic Remodeling of Membrane Composition Drives Cell Cycle through Primary Cilia Excision
Summary:The life cycle of a primary cilium begins in quiescence and ends prior to mitosis. In quiescent cells, the primary cilium insulates itself from contiguous dynamic membrane processes on the cell surface to function as a stable signaling apparatus. Here, we demonstrate that basal restriction of ciliary structure dynamics is established by the cilia-enriched phosphoinositide 5-phosphatase, Inpp5e. Growth induction displaces ciliary Inpp5e and accumulates phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate in distal cilia. This change triggers otherwise-forbidden actin polymerization in primary cilia, which excises cilia tips in a process we call cilia decapitation. While cilia disassembly is traditionally thought to occur solely through resorption, we show that an acute loss of IFT-B through cilia decapitation precedes resorption. Finally, we propose that cilia decapitation induces mitogenic signaling and constitutes a molecular link between the cilia life cycle and cell-division cycle. This newly defined ciliary mechanism may find significance in cell proliferation control during normal development and cancer.

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