我們的許多細(xì)胞都配備了一個(gè)發(fā)電的“天線(xiàn)”，可以將有關(guān)外部環(huán)境的信息傳遞給細(xì)胞，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些所謂的初級(jí)纖毛的出現(xiàn)和消失與細(xì)胞復(fù)制過(guò)程同步，稱(chēng)為有絲分裂。現(xiàn)在，約翰霍普金斯大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)家報(bào)告發(fā)現(xiàn)了關(guān)于這種“脫發(fā)”和細(xì)胞復(fù)制是如何通過(guò)纖毛尖端的戲劇性剪切 - 科學(xué)家配音斬首 - 開(kāi)始他們的拆解相關(guān)聯(lián)的新信息的發(fā)現(xiàn)。

研究人員表示，新信息是更好地了解細(xì)胞如何決定進(jìn)行有絲分裂的關(guān)鍵，有絲分裂是生物體發(fā)育，組織維持和癌癥形成的必要過(guò)程。他們還希望他們的工作能夠揭示纖毛相關(guān)疾病，如多囊腎病和某些形式的智力殘疾。

“以前曾觀察過(guò)纖毛的斷頭，但從未進(jìn)行過(guò)探索，”約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞生物學(xué)副教授Takanari Inoue博士說(shuō)。“我們現(xiàn)在知道這是一個(gè)正常的過(guò)程，而不僅僅是在某些實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)生的事情。我們已經(jīng)確定了驅(qū)動(dòng)它的分子參與者。”

像小型貨車(chē)上的天線(xiàn)一樣，初級(jí)纖毛是在腎臟，大腦，視網(wǎng)膜和內(nèi)耳以及其他器官中的細(xì)胞上出現(xiàn)的微小結(jié)構(gòu)，并為細(xì)胞提供有關(guān)外部流體的流動(dòng)和化學(xué)的信息。

當(dāng)細(xì)胞不分裂時(shí)，稱(chēng)為靜止?fàn)顟B(tài)，大多數(shù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)不斷變化，但初級(jí)纖毛相對(duì)穩(wěn)定。井上和他的小組試圖了解當(dāng)細(xì)胞退出靜止并開(kāi)始有絲分裂時(shí)導(dǎo)致“理發(fā)”的原因，在此期間復(fù)制的染色體分裂并填充兩個(gè)新的“子”細(xì)胞。

他們首先將細(xì)胞與越來(lái)越少的一種名為Inpp5e的酶進(jìn)行比較，之前的研究已經(jīng)暗示了纖毛的穩(wěn)定性。在靜息小鼠胚胎細(xì)胞的纖毛膜上添加熒光標(biāo)簽后，該團(tuán)隊(duì)錄下了纖毛的提示。他們似乎每隔幾個(gè)小時(shí)就被切斷并漂走一次。

在缺失Inpp5e基因的細(xì)胞中以及當(dāng)給予細(xì)胞刺激有絲分裂的信號(hào)時(shí)，斬首率更高。但是當(dāng)科學(xué)家們?cè)贗npp5e蛋白質(zhì)中加入分子代碼以便它會(huì)聚集在纖毛中時(shí)，斬首率就會(huì)大大減慢。Inoue說(shuō)，這表明Inpp5e在纖毛中的存在阻礙了斬首過(guò)程，并且有絲分裂信號(hào)從纖毛中排出Inpp5e以促進(jìn)斬首。

“因?yàn)镮npp5e中的基因突變與Joubert綜合征相關(guān)，Joubert綜合征的特征是大腦發(fā)育異常和智力障礙，我們現(xiàn)在懷疑Inpp5e會(huì)影響大腦發(fā)育，”Inoue說(shuō)。

Inpp5e的功能是從纖毛膜上消耗脂肪樣分子，稱(chēng)為PIP2。與PIP2結(jié)合的熒光標(biāo)簽向研究人員表明，纖毛中PIP2的濃度，特別是尖端附近的PIP2濃度也是同步的：PIP2在細(xì)胞接收到有絲分裂信號(hào)后積聚在纖毛尖端，纖毛在該部位被剪掉PIP2積累。

因?yàn)镻IP2在由蛋白質(zhì)肌動(dòng)蛋白制成的線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的形成中起關(guān)鍵作用，所以該團(tuán)隊(duì)使用熒光生物傳感器來(lái)測(cè)量和觀察纖維中結(jié)構(gòu)的形成。由于缺乏Inpp5e，在含有過(guò)量PIP2的纖毛中，研究人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)形成增加了十倍。此外，他們發(fā)現(xiàn)電線(xiàn)形成恰好在提前幾分鐘就發(fā)生在斬首現(xiàn)場(chǎng)。

“我們認(rèn)為線(xiàn)材的形成實(shí)際上提供了斬?cái)嗬w毛的力量，”井上說(shuō)。

為了了解斬首如何影響其余的纖毛拆卸，井上實(shí)驗(yàn)室的研究生和論文的主要作者Siew Cheng Phua設(shè)計(jì)了一種阻止纖維內(nèi)纖維形成的方法。她發(fā)現(xiàn)電線(xiàn)對(duì)于纖毛斷頭是必不可少的，并且完全拆解纖毛需要斷頭。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)分析了纖毛斬首的時(shí)間。研究人員使用彩虹熒光標(biāo)簽，通過(guò)過(guò)渡到有絲分裂的過(guò)程，跟蹤細(xì)胞中的纖毛。纖毛以藍(lán)色標(biāo)記，隨著細(xì)胞核的進(jìn)展，細(xì)胞核從黃色變?yōu)榧t色至黑色。在正常細(xì)胞中，一般發(fā)生纖毛斷裂，而細(xì)胞仍然處于靜止?fàn)顟B(tài)(黃色核)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪z分裂(暗核)。但是在纖毛被阻止形成細(xì)胞的細(xì)胞中，無(wú)法蛻皮纖毛與從靜止到有絲分裂的較慢轉(zhuǎn)變相關(guān)。

“不知何故，斬首會(huì)觸發(fā)纖毛的縮小;它們的縮小比剪掉的還多，”井上說(shuō)。“與此同時(shí)，這似乎向小組發(fā)出信號(hào)，表示是時(shí)候退出靜止并開(kāi)始分裂了。”

當(dāng)他們分析斬首纖毛梢的內(nèi)容 - 與日本研究人員的合作項(xiàng)目 - 他們大多發(fā)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和纖毛生長(zhǎng)很重要的分子，這意味著斬首可以調(diào)節(jié)纖毛的組成和功能。

據(jù)Phua說(shuō)，纖毛的尖端也可能具有臨床意義。最近的研究表明，多囊腎病患者的尿液中含有微小的囊膜。井上說(shuō)，它們可能是纖毛提示，并且它們?cè)诩膊“l(fā)展中起作用，但需要更多的研究來(lái)證實(shí)這一想法。

Phua補(bǔ)充說(shuō)：“纖毛的異常感覺(jué)功能與某些癌癥有關(guān)，如皮膚癌和腦癌。纖毛斷頭和有絲分裂之間的新聯(lián)系可以幫助我們了解初級(jí)纖毛的缺陷如何影響癌癥形成的異常細(xì)胞分裂。”