细胞核是细胞分裂的起搏器

　　

1975年，Paul Nurse在 《Nature》杂志上发表了他的第一篇论文 ，探讨裂殖酵母如何控制有丝分裂的发生。五十年后，几乎就在一个月前，Paul的实验室又在《Nature》杂志上发表了另一篇论文，仍在探索裂殖酵母如何控制有丝分裂的发生！

弗朗西斯·克里克研究所的研究人员发现，控制酵母细胞分裂的“起搏器”位于细胞核内，而非此前认为的细胞核外。起搏器与细胞DNA位于同一区域有助于维持基因组的稳定性。

细胞周期依赖性蛋白激酶 (CDK) 是细胞周期（细胞复制其内容物，然后分裂形成两个子细胞的过程）的主要调控因子。CDK 只有在与第二种蛋白质——细胞周期蛋白结合时才有活性，正是这种细胞周期蛋白-CDK 双子组合启动了一系列信号，指示细胞分裂。

CDK的活性时间和位置受到严格调控。该复合物可以被认为是细胞分裂的起搏器，因为如果它在错误的时间“跳动”，细胞分裂就会出现灾难性的错误。

研究人员普遍认为，CDK 最初是在负责调动细胞分裂机制组件的结构中被激活的。这个结构被称为着丝粒，位于细胞质中，即细胞核外的部分。然而，克里克大学细胞周期实验室的博士后研究员 Nitin Kapadia 今天在《Nature》杂志上发表的一项新研究推翻了这一长期持有的观点。

设定细胞分裂的速度

为了实现这一目标，Nitin 开发了一些传感器，使他能够观察单个活酵母细胞内部，并同时监测细胞核和细胞质中的 CDK 活性。他发现，细胞核中的传感器比细胞质中的传感器报告的活性峰值更早，这意味着 CDK 最先被激活的地方是细胞核。

接下来，Nitin 荧光标记了细胞周期蛋白分子，以绘制它们与 CDK 结合后的运动轨迹。细胞核中的细胞周期蛋白数量下降，而细胞质中的细胞周期蛋白数量增加，这表明一些活性细胞周期蛋白-CDK 复合物被从细胞核中输出，以驱动信号级联的后续步骤。

在本实验中加入CDK活性传感器后，结果表明，细胞核激活发生在细胞周期蛋白CDK被送往细胞质之前，并在细胞质中立即启动CDK活性。只需少量的细胞周期蛋白就能在细胞质中激活CDK。

维持有丝分裂并放大信号

有丝分裂是复制基因组，为每个子细胞提供一份拷贝的过程，它对于细胞的精确分裂至关重要。Nitin 的下一个问题是，即使部分细胞周期蛋白 CDK 被输出，细胞核如何仍然保持有丝分裂状态。

他绘制了细胞核和细胞质中不同细胞周期蛋白含量对CDK活性的影响，发现在CDK被激活之前，细胞核中需要积累大量的细胞周期蛋白。然而，一旦CDK被激活，细胞核就可以耐受细胞周期蛋白的减少，而不会退出有丝分裂。相反，细胞质中即使细胞周期蛋白含量少得多，也能激活CDK。

这可能是因为细胞核中较高的 CDK 激活阈值将细胞分裂过程与监测 DNA 复制和损伤的机制结合在一起，从而防止在 DNA 尚未“准备好”时发生有丝分裂。

为了确定细胞核激活CDK是否足以驱动细胞分裂，Nitin阻止了细胞周期蛋白离开细胞核进入着丝粒，发现即使细胞核处于有丝分裂状态，细胞质也无法进入有丝分裂。这表明，一些细胞周期蛋白-CDK需要到达着丝粒，由着丝粒将信号传递到细胞的其他部分。

Nitin 表示：“我们已经证明，在活细胞内，细胞核是细胞分裂的起搏器，使 DNA 复制能够与细胞分裂精确协调。既然我们知道了这个过程的起点，我们就可以更深入地观察细胞核内发生的事情，以及 DNA 是否也在启动有丝分裂的过程中发挥作用。我们希望能够初步揭示这一过程是否也发生在其他动物和人类身上。”

克里克研究所所长兼细胞周期实验室负责人Paul Nurse表示：“关于有丝分裂和细胞分裂的起始位置，存在着相互矛盾的证据，而且由于需要考虑的因素更多，在人体细胞中观察这一过程也更加棘手。使用酵母这样的模型系统，我们能够解析这一过程，实时观察信号和变化，并了解细胞如何在细胞的不同部位协调有丝分裂。”