细胞分裂时,将染色体拉向两边的力有多大?

2016-11-04  

“膜仁消失现两体,赤道板上排整齐……”对不少人来说,中学时背下的各种有丝分裂口诀也许已是他们对细胞分裂过程的最后印象。不过,这项被写进教科书多年的细胞行为,仍有许多细节困扰着当今的生物学家们。

            动物细胞有丝分裂的示意动画。

其中一个被争论了许多年的问题,就是在细胞有丝分裂期间,染色体排列在赤道板上准备被分开拉向细胞两极时,动粒(也就是“着丝点”)受到的拉力有多大。这个问题的答案对弄清动粒的结构,乃至理解细胞如何分裂至关重要,多年来有关于此的估算也各式各样。“可那些结果在大小上相差数百倍甚至上千倍。” 马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的细胞生物学家托马斯·马雷斯卡(Thomas Maresca)说,“但是现在,我认为我们最终得到了答案。”

根据发表在《自然·通讯》上的论文[1],马雷斯卡的团队利用两种不同的力感受器去测量果蝇细胞在有丝分裂过程中产生的拉力,他们得出结论:纺锤丝在动粒上施加的、朝向细胞两极的力足有数百皮牛(1pN=10^-12N)大小。

简易版的果蝇动粒模型。红色为与动粒相连的纺锤丝(微管)。绿色、灰色及蓝色为构成动粒的蛋白质及蛋白复合体。马雷斯卡团队的拉力测量系统构建在CENP-C上。

科学家们显然无法在动粒上拴一个弹簧测力计来完成这样的任务。在这个研究中,马雷斯卡和他的博士生叶安娜(Anna Ye)以及斯图尔特·凯恩(Stuart Cane)三人巧妙地采用了类似的思路——他们构建了两种不同的力感受器,上面带有不同的荧光基团。这些感受器在受到拉力时会发生构象变化,荧光强度因而受到改变。通过将这两种力感受器嵌入果蝇动粒的重要结构——着丝粒蛋白CENP-C中,研究者得以通过分析荧光的改变情况估算施加在每个CENP-C蛋白上的拉力。

第一种力感受器基于荧光能量共振转移(FRET)效应设计。图a为原理示意:当青色荧光蛋白与黄色荧光蛋白的距离较远时,青色荧光蛋白吸收激发光的能量后发出青色荧光;但当青色荧光蛋白与黄色荧光蛋白距离较近(通常小于10nm)时,黄色荧光基团通过FRET效应获得能量,发出黄色荧光。图b为感受器示意图:青色荧光蛋白(mTurquoise2)和黄色荧光蛋白(mVenus)之间用弹性肽链相连,在所受拉力较小时,两个荧光蛋白距离较近,FRET效应较强;而受到较大拉力时,弹性肽链被拉长,两个荧光蛋白之间的距离变大,FRET效应减弱。通过比较细胞分裂间期和细胞分裂中期的结果,研究者最终得出平均每一个CENP-C蛋白受到约1.2-1.4pN的拉力。

第二种力感受器则基于踝蛋白(图中部红、白色结构)和黏着斑蛋白(黄、红色结构)设计。这两种蛋白能够结合在一起。踝蛋白受到的拉力作用越大,它与黏着斑蛋白结合的结构域(红色)就暴露得更多,因此能够结更多黏着斑蛋白。研究者在CENP-C蛋白中间插入踝蛋白,而在黏着斑蛋白上加上绿色荧光蛋白。通过分析CENP-C蛋白受力时结合在踝蛋白上的荧光,研究者最终发现细胞分裂中期与细胞不分裂时相比,结合在踝蛋白上的黏着斑蛋白相差了约1.3个,根据此前研究数据换算出平均每一个CENP-C蛋白受到的拉力约2pN。

在三年多的实验里,该课题组获得了超过3200个数据点。两套力感受器系统估算得的拉力数据比较一致,研究者认为在果蝇细胞有丝分裂中期,每个CENP-C蛋白受力在1-2pN之间。其他研究结果提示,平均而言,每个动粒与11条微管连接,每条微管与12到31个CENP-C蛋白结合,因此,在果蝇细胞分裂过程中将拖拽动粒的拉力范围在135-677pN之间。考虑到这一受力结构的尺度,这样的拉力已经非常高。“在细胞中有不同的分子马达,有一些像短跑运动员,但是我们测得的这个更像是推土机——它们能够在一个缓慢而稳定的速率下制造比较大的力。”马雷斯卡说。

研究者推断,这样强大的压力主要是微管的动力过程过程产生的。他表示,分子马达在微管上移动,就像在高速公路上行驶一样。“这种拉力非常强,但并不是很快,我们认为是‘道路’而非‘汽车’产生了大部分存在的拉力。”他希望这些研究结果能帮助人们解决由来已久的拉力问题,并由此进一步加深对细胞分裂过程的理解。

来源:果壳