Nature子刊：用延时摄影揭开胚胎细胞分裂的奥秘

　　

生命的开端笼罩在神秘之中。虽然有丝分裂的复杂动力学在所谓的体细胞(具有特殊功能的细胞，如皮肤细胞和肌肉细胞)中得到了很好的研究，但它们在我们身体的第一个细胞——胚胎细胞中仍然是难以捉摸的。众所周知，在脊椎动物中研究胚胎有丝分裂是非常困难的，因为活体功能分析和实验胚胎的成像在技术上是有限的，这使得在胚胎发生过程中很难追踪细胞。

然而，冲绳科学技术研究所(OIST)细胞分裂动力学部门的研究人员最近在《自然通讯》上发表了一篇论文，他们的合作伙伴包括北海道大学的Toshiya Nishimura教授(以前在名古屋大学)、名古屋大学的Minoru Tanaka教授、东北大学的Satoshi Ansai教授(目前在京都大学)和国立遗传研究所的Masato T. Kanemaki教授。得益于新型成像技术、CRISPR/Cas9基因组编辑技术、现代蛋白质敲低系统和日本米鱼(Oryzias latipes)的结合，这项研究朝着回答有关胚胎有丝分裂的问题迈出了重要的第一步。他们产生的时间间隔有助于回答有关胚胎有丝分裂过程中染色体均匀分裂的复杂过程的基本问题，同时绘制出科学探索的下一个前沿。正如该研究的资深作者清光友美(Tomomi Kiyomitsu)教授所描述的那样:“它们很美，不仅因为它们本身，还因为它们为阐明胚胎有丝分裂奠定了新的基础。”

看清光教授在这里解释美丽的时间流逝:https://youtu.be/HeEp1pmgWgk

胚胎有丝分裂之谜的核心是包含细胞所有遗传信息的染色体排列并平等地分离成子细胞的关键步骤。有丝分裂纺锤体是这个过程中的一个关键角色，它是由微管组成的，微管是一种用于细胞内结构和运输的长蛋白质纤维，从纺锤体的相反两极辐射出来，附着在中间的染色体上。纺锤体正确地捕获重复的染色体，并在分裂过程中将它们均匀地分离到子细胞中。有许多因素决定纺锤体的形成，其中之一是蛋白质Ran-GTP，它在雌性生殖细胞的细胞分裂中起着至关重要的作用，雌性生殖细胞缺乏中心体(负责组装微管的细胞器)，但在小体细胞中却没有，而小体细胞有中心体。然而，长期以来，人们一直不清楚在脊椎动物早期胚胎中纺锤体组装是否需要Ran-GTP，这些胚胎含有中心体，但具有独特的特征，如更大的细胞大小。

与哺乳动物的早期胚胎相比，鱼类的胚胎细胞是透明的，并且在统一的单细胞层中同步发育，这使得它们更容易被追踪。事实证明，medaka特别适合研究人员，因为这些鱼能忍受各种温度，每天产卵，而且基因组相对较小。耐高温意味着水母胚胎细胞可以在室温下存活，这使得它们特别适合于长时间的实时延时摄影。

事实上，medaka经常产生卵子，并且基因组大小相对较小，这使它们成为CRISPR/ cas9介导的基因组编辑的良好候选者。利用这项技术，研究人员创造了转基因的medaka，其胚胎细胞确实突出了参与有丝分裂的某些蛋白质的动力学。

在研究活的转基因medaka胚胎中有丝分裂纺锤体发育的时间流逝时，研究人员发现，大型早期胚胎组装的纺锤体不同于体细胞纺锤体。此外，在胚胎早期分裂中，Ran-GTP在纺锤体形成中起决定性作用，但在后期胚胎中其重要性减弱。这可能是因为随着细胞在发育过程中变得更小，纺锤体结构被重塑了，尽管确切的原因是未来研究的主题。

研究人员还发现，早期胚胎细胞没有一个专用的纺锤体组装检查点，这是大多数体细胞的特征，它可以确保染色体在分离前正确排列。正如清光教授推测的那样，“检查点不活跃，但染色体分离仍然非常准确。这可以用胚胎细胞需要快速分裂的事实来解释，但这是我们想要进一步研究的东西。”

虽然对medaka鱼的基因改造和对早期胚胎的研究已经导致了对胚胎有丝分裂的新的关键见解，但这只是清光教授和他的团队的开始。除了有关在后期阶段Ran-GTP的作用减弱和缺失纺锤体组装检查点的问题外，他还指出了在时间流逝中细胞分裂的令人满意的对称性:“纺锤体形成的特征是高度对称，因为细胞似乎在按大小和确定的方向分裂，纺锤体始终位于细胞的中心。纺锤体是如何在细胞间如此有规律地定向的，它又是如何每次都能找到中心的?”

除了时间流逝之外，研究小组还希望通过额外的medaka基因系进一步巩固这一新的基础，作为胚胎细胞研究的模型，同时优化基因组编辑过程。最终，该团队希望通过研究其他生物体的胚胎有丝分裂来测试他们的发现的普遍性，并在后期阶段，他们希望探索纺锤体组装和胚胎分裂的进化，这也将有助于更好地理解人类胚胎发生，并开发人类不孕症的诊断和治疗。

“通过这篇论文，我们建立了一个坚实的基础，”清光教授总结道，“但我们也开辟了一个新的领域。胚胎有丝分裂是美丽的、神秘的、具有挑战性的研究，我们希望通过我们的工作，我们最终能更接近于理解生命开始时的复杂过程。”