甚至在受精卵或受精卵可以在多細(xì)胞生物的發(fā)育過程中開始分裂形成未來組織和器官的子細(xì)胞之前，對稱的受精卵需要在形狀和分子組織中變得不對稱或極化。觸發(fā)線蟲蠕蟲線蟲(秀麗隱桿線蟲)受精卵中對稱破壞過程的主開關(guān)在最近的一項(xiàng)研究中被確定，該研究由機(jī)械生物學(xué)研究所(MBI)的首席研究員助理教授Fumio Motegi領(lǐng)導(dǎo)。新加坡國立大學(xué)(NUS)。這項(xiàng)工作于2019年3月在Developmental Cell上發(fā)表。
Aurora-A激酶是秀麗隱桿線蟲受精卵中的對稱破壞線索
與通常在學(xué)校教科書中描述的細(xì)胞作為完美球形體的簡化感知相反，我們體內(nèi)的細(xì)胞呈現(xiàn)不對稱或傾斜的物理形狀。這種固有的形狀不對稱作為許多基本細(xì)胞過程的重要空間線索，例如它們?nèi)绾畏珠_或者它們在哪個(gè)方向上移動(dòng)以正常開始和進(jìn)行。
現(xiàn)在可獲得關(guān)于當(dāng)細(xì)胞呈現(xiàn)不對稱或極化狀態(tài)時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)和分子水平變化的大量信息。在結(jié)構(gòu)上，細(xì)胞獲得頂部和底部或前后表面，而在分子水平上，稱為極性調(diào)節(jié)劑的特殊蛋白質(zhì)組移動(dòng)到細(xì)胞皮層中的不同區(qū)域(細(xì)胞膜下面的層)。結(jié)果，不同的單元區(qū)域獲得特定的體系結(jié)構(gòu)和功能。
然而，在稱為對稱性破壞的過程中，關(guān)于啟動(dòng)細(xì)胞組分的空間分離的“主開關(guān)”知之甚少。一個(gè)尚未得到答復(fù)的核心問題是指導(dǎo)極性調(diào)節(jié)器走向其目的地的提示。Motegi教授開始解開這個(gè)主開關(guān)的身份。
通過研究來自線蟲蠕蟲秀麗隱桿線蟲的受精卵對稱破裂的過程，他的團(tuán)隊(duì)先前揭示了肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架(由肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白制成的絲狀框架)收縮后在皮質(zhì)上產(chǎn)生的力如何能夠指導(dǎo)極性的運(yùn)動(dòng)監(jiān)管機(jī)構(gòu)到他們注定的地點(diǎn)。受精后不久，皮質(zhì)中的肌動(dòng)球蛋白收縮使受精卵表面處于緊張狀態(tài)。在對稱性破壞時(shí)，空間控制的肌動(dòng)球蛋白收縮抑制導(dǎo)致表面張力的不平衡，導(dǎo)致皮質(zhì)細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)并運(yùn)輸極性調(diào)節(jié)劑。
在這項(xiàng)研究中，助理教授Motegi和他的新加坡國立大學(xué)生物科學(xué)博士生彭昭進(jìn)一步探索了直接打破皮質(zhì)肌動(dòng)蛋白收縮中對稱性的線索，并導(dǎo)致秀麗隱桿線蟲受精卵的極性開始和建立。在使用一種名為RNA干擾的技術(shù)來阻斷極化過程中涉及的特定蛋白質(zhì)的合成，并觀察活體受精卵中的效應(yīng)后，他們選擇了一種名為Aurora-A(秀麗隱桿線蟲中的AIR-1)的蛋白質(zhì)作為主開關(guān)。對稱性破壞。
Aurora-A是一種激酶(一種通過向其中添加磷酸鹽分子來調(diào)節(jié)其他蛋白質(zhì)活性的蛋白質(zhì))，通過組裝中心體(一種組織微管細(xì)絲的細(xì)胞器官)來控制細(xì)胞分裂中具有眾所周知的作用。細(xì)胞周期進(jìn)展。
研究人員確定了一個(gè)兩階段過程，Aurora-A通過該過程影響肌動(dòng)蛋白收縮，從而啟動(dòng)對稱性破壞并建立細(xì)胞極性。在第一階段，Aurora-A在中心體周圍積聚并抑制周圍皮質(zhì)局部的肌動(dòng)球蛋白收縮。這會在皮質(zhì)的不同區(qū)域產(chǎn)生力差異，并且由此產(chǎn)生的皮質(zhì)流將肌球蛋白和其他極性蛋白質(zhì)傳遞到受精卵的前部，從而產(chǎn)生前后不對稱性。在第二階段，Aurora-A擴(kuò)散到細(xì)胞質(zhì)中并抑制整個(gè)皮質(zhì)中的肌動(dòng)球蛋白收縮。這可以防止進(jìn)一步的皮層流動(dòng)或極性調(diào)節(jié)器的移動(dòng)，有效地將它們鎖定到位。
在評論這些發(fā)現(xiàn)時(shí)，助理教授Motegi說：“這項(xiàng)研究提供了關(guān)于如何觸發(fā)和建立細(xì)胞極性的難題的關(guān)鍵部分。單個(gè)主開關(guān)Aurora-A創(chuàng)造了覆蓋其中一個(gè)細(xì)胞極的'極光'對稱破壞。“
有趣的是，研究小組發(fā)現(xiàn)Aurora-A在細(xì)胞極化中的作用與其在中心體組裝和細(xì)胞周期進(jìn)程中的作用無關(guān)。通過與新加坡國立大學(xué)同事的富有成效的合作，包括副教授Yusuke Toyama(MBI)和Thorsten Wohland教授(NUS生物科學(xué)系)，他們分別帶來了他們在激光燒蝕和熒光相關(guān)光譜方面的專業(yè)知識，他們證明了極光的局部積累 - 無論中心體的參與如何，A足以通過其激酶活性誘導(dǎo)對稱性破壞。
Wohland教授使用熒光相關(guān)光譜(FCS)研究Aurora-A蛋白在細(xì)胞質(zhì)中的擴(kuò)散速率，他說：“這項(xiàng)工作很好地說明了動(dòng)力學(xué)測量在發(fā)育過程中的重要性。在這里，我們用FCS實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。 ，一種具有單分子靈敏度的多功能工具，即使在細(xì)胞和生物的復(fù)雜環(huán)境中也能夠以良好的空間分辨率確定動(dòng)力學(xué)。
富山副教授強(qiáng)調(diào)了多學(xué)科方法在獲得有意義的結(jié)果方面的重要性，他補(bǔ)充說：“這項(xiàng)工作利用了在新加坡國立大學(xué)使用基于顯微鏡的工具的跨部門專業(yè)知識。紫外激光誘導(dǎo)'細(xì)胞手術(shù)'的表現(xiàn)由我們啟用對秀麗隱桿線蟲受精卵中Aurora-A位置的操縱，以確定其對對稱破壞過程的影響。“
最近在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)將異常的Aurora-A激酶活性與癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化聯(lián)系起來。研究人員希望這項(xiàng)研究的結(jié)果可以幫助揭示這種致病關(guān)聯(lián)。雖然在了解整個(gè)細(xì)胞極化過程之前仍然存在一些缺失的環(huán)節(jié)，但鑒定Aurora-A作為控制細(xì)胞極化的主開關(guān)是向前發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的一步，以揭示關(guān)于這一重要生物過程的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
重要的是，越來越多的證據(jù)表明，極化過程是預(yù)防細(xì)胞中致瘤事件的關(guān)鍵檢查點(diǎn)，而這一過程中的失調(diào)最終會導(dǎo)致致癌作用的發(fā)生。該研究為基于操作和恢復(fù)細(xì)胞極性的癌癥的新型治療方法的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。