人类细胞分裂、遗传学与DNA

长期以来，富含卵黄的大型早期胚胎细胞的分裂方式一直不符合传统的胞质分裂模型。新研究揭示，这些细胞并不依赖完全闭合的收缩环，而是通过细胞骨架结构与细胞质材料特性变化之间的动态相互作用来完成分裂。

科学家发现了一种新的胚胎细胞分裂方式，可在常规机制失效时发挥作用。

细胞分裂是所有生命形式的基础，但科学家长期以来一直难以解释这一过程在胚胎发育最早阶段是如何进行的，尤其是在卵生动物中。德累斯顿工业大学“生命物理学”卓越集群（PoL）Brugués 研究组的研究人员现已发现一种出人意料的机制，使早期胚胎细胞无需形成完整的收缩环即可分裂——而收缩环传统上被认为是细胞分裂不可或缺的结构。

他们的研究结果发表在《自然》（Nature）期刊上，推翻了教科书中关于细胞分裂的传统解释。研究表明，细胞骨架的成分与细胞内部（细胞质）的物理特性共同作用，通过一种研究人员称之为“棘轮样”的过程推动分裂。

重新思考收缩环模型

在许多生物中，细胞分裂依赖于由肌动蛋白构成的收缩环，它会在细胞中部形成。随着这个环像束口绳一样收紧，它会挤压细胞，直到细胞分裂成两个子细胞。虽然这种“束口绳”机制很常见，但并不适用于所有物种。

具有极大胚胎细胞的动物——包括鲨鱼、鸭嘴兽、鸟类和爬行动物——带来了特殊挑战。它们的细胞含有巨大的卵黄囊，体积大到肌动蛋白环无法完全闭合，使标准分裂模型失效。

多年来，这些超大细胞如何完成分裂一直是未解之谜。

“胚胎细胞中含有如此大的卵黄，这带来了几何限制。一个两端松散的收缩带如何保持稳定，并产生足够的力量来分裂这些巨大的细胞？”Alison Kickuth 说。她是德累斯顿工业大学“生命物理学”卓越集群（PoL）Brugués 研究组的刚毕业博士生，也是该研究的第一作者。他们发表在《自然》上的开创性实验终于找到了答案。

为了揭示这一机制，研究人员使用了斑马鱼胚胎。斑马鱼胚胎分裂迅速，且在早期发育阶段也含有富含卵黄的大细胞。Kickuth 使用激光高精度切断肌动蛋白带，却发现该带即使被切断后仍继续向内移动。这一行为表明，该带并非仅依赖两端固定，而是通过沿其长度分布的多个锚定点获得支撑。

微管在稳定中的作用

此外，另一种细胞骨架关键成分——微管——在激光切割后会发生弯曲和张开，并在收缩过程中对肌动蛋白带的稳定起到关键作用。为了阐明微管在这一过程中的作用，作者通过两种实验破坏微管：

1. 化学诱导微管解聚（有效阻止新微管形成）

2. 使用微小油滴作为障碍物物理性干扰微管

结果显示，没有微管时，肌动蛋白带会崩溃，证明微管对于维持肌动蛋白带的位置至关重要，并在其形成过程中提供机械支撑和信号传导。

斑马鱼胚胎在第一次细胞分裂周期

斑马鱼胚胎在第一次细胞分裂周期中，结构蛋白肌动蛋白被标记（橙色），显示细胞边界和向内推进的分裂沟。图像为时间序列：从深橙色（分裂沟开始前）逐渐变为亮橙色，最终变为白色（分裂沟推进完成）。图片来源：Alison Kickuth，Brugués 实验室

已知在其他物种中，随着细胞周期推进，细胞骨架也会发生变化。重要的是，细胞周期分为不同的活动阶段：

- 有丝分裂期（M 期）：DNA 被分离

- 间期（Interphase）：细胞生长并复制 DNA

DNA 分离后，由微管构成的大型结构——星状体（asters）——会生长并横跨整个细胞质。

这些星状体在间期对于决定肌动蛋白带将在何处形成并开始收缩至关重要，从而标记未来的分裂平面。鉴于已知微管在多种细胞环境中会使细胞质变硬，作者试图探索星状体是否也会通过增加硬度来帮助锚定肌动蛋白带。为了验证这一点，作者使用磁珠并观察其在磁力作用下的位移，从而测量不同细胞周期阶段细胞质硬度的变化。

他们发现，细胞质在间期变硬，起到稳定肌动蛋白带的支架作用；而在 M 期则变得更具流动性，使肌动蛋白带能够在两个未来的子细胞之间推进。这种硬度与流动性的动态变化在分裂过程中起着关键作用。

用于分裂的“机械棘轮”

只剩下一个问题：尽管 M 期细胞质变得更像液体，肌动蛋白带如何在整个 M 期保持稳定？通过长时间成像肌动蛋白带的末端，研究团队观察到，虽然该带在 M 期收缩时不稳定，但并未完全崩溃。相反，由于早期胚胎细胞周期极快，这种回缩会被“拯救”。

在下一个间期，随着星状体重新出现，细胞质再次变硬，肌动蛋白带重新稳定。然后，在下一个流体阶段，肌动蛋白带继续推进。这种 M 期不稳定与间期稳定的循环在多个细胞周期中重复，直到分裂完成。这种交替模式就像一个“机械棘轮”，无需完整的收缩环即可推动细胞分裂。在这种情况下，分裂是通过细胞质材料特性的交替变化实现的，并跨越多个细胞周期，而不是仅在一个周期内完成。

“这种时间棘轮机制从根本上改变了我们对胞质分裂的理解，”该研究的通讯作者 Jan Brugués 强调。这一发现为那些体积过大、无法使用传统分裂机制且细胞周期极快的早期细胞分裂提供了有效解决方案。

“斑马鱼是一个迷人的案例，因为其胚胎细胞的胞质分裂本质上是不稳定的。为了克服这种不稳定性，它们的细胞快速分裂，通过在稳定和流化之间交替，使肌动蛋白带在多个细胞周期中逐步推进，直到分裂完成，”Alison 强调了这一发现的意义。这一发现代表了理解大型胚胎细胞分裂的新范式，并可能广泛适用于具有富含卵黄胚胎的物种。

此外，该研究强调了细胞质材料特性的时间调控在细胞过程中的重要作用，这一作用可能在未来研究中得到进一步拓展。理解这些机制将为研究不同物种的发育开辟新的视角。