Science：新研究揭示在细胞分裂过程中检测缺陷的分子机制

每天，我们的细胞都在努力地增殖。细胞分裂是一个精确的过程，但有时这一过程会受到破坏，从而导致癌症等疾病的发生。有丝分裂是细胞周期中最重要的阶段之一。在这一阶段，细胞的 DNA经复制后产生两组相等的染色体，并分裂成两个基因完全相同的子细胞。

在一项新的研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过测量有丝分裂的持续时间，发现了一种防止潜在危险细胞增殖的分子机制。他们指出这种机制——有丝分裂秒表复合物（Mitotic Stopwatch Complex）会随着细胞分裂的时间推移而变得更强，从而导致异常细胞被清除以保护有机体。相关研究结果发表在2024年3月29日的Science期刊上，论文标题为“Control of cell proliferation by memories of mitosis”。

有丝分裂秒表复合物

正常情况下，当细胞分裂时，它会复制染色体，而且每个新的子细胞都会得到一个完美的染色体拷贝。但是，有时一个细胞可能会得到过多的染色体，而另一个细胞可能得不到足够的染色体，这种现象被称为“染色体错误分离（chromosome missegregation）”。

有丝分裂通常需要 30 分钟左右才能完成，但当细胞出现缺陷时，它们需要更多的时间来组织染色体并将其分离到子细胞中。这种延迟导致了这些作者所说的有丝分裂秒表复合物，即当细胞经历不寻常的、长时间的有丝分裂时形成的复合物。

论文共同通讯作者、加州大学圣地亚哥分校的Franz Meitinger教授解释道，“这种复合物不会在正常的有丝分裂过程中形成，只有在有丝分裂时间较长时才会形成。细胞中的这种缺陷不能被细胞直接识别，但细胞能测量的是它们在有丝分裂中花费的时间，它们利用这一信息来了解有丝分裂进行得如何。我们想了解这种分子机制如何保护有机体免受癌症产生的影响。”

有丝分裂开始 30 分钟后，这种复合物开始形成，而且在细胞退出较长时间的有丝分裂后，这种复合物在新的子细胞中开始活跃。这种激活会触发其他因子，从而永久性地抑制或杀死这些子细胞。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.add9528

论文共同作者、加州大学圣地亚哥分校的Hazrat Belal博士说，“你有一个信号在积累，当有丝分裂的时间足够长时，它会立即诱导细胞停滞或细胞死亡，但如果有丝分裂的时间适度延长，这条通路就会被部分激活，因此细胞仍然可以继续分裂，但如果细胞的有丝分裂时间再次适度延长，它就会停滞。”

人们已知道有丝分裂延长和细胞停滞之间存在联系，但不知道细胞如何“感知”有丝分裂延长以导致细胞停滞。这项新的研究阐明了这是如何起作用的。

有丝分裂秒表复合物由三种蛋白组成：p53结合蛋白1（p53-binding protein 1, 53BP1）、USP28和p53蛋白本身。这些蛋白只有在有丝分裂时间异常延长（超过 30 分钟）时才会相互作用。在这种漫长的有丝分裂过程中，形成的这种复合物越来越多。形成的这种复合物越多，结果就越强---这可能是细胞停滞或细胞死亡，具体取决于细胞类型。

p53 蛋白被称为肿瘤抑制因子，它能阻止潜在受损细胞的生长并防止其增殖。这些作者发现，一种名为 PLK1的激酶负责触发这种复合物的形成。PLK1 在正常的有丝分裂过程中是活跃的，但由于不明原因，只有在有丝分裂过程延长时才会诱导这种复合物的形成。

当这种复合物形成时，它可以稳定和激活肿瘤抑制因子 p53，然后使得它作为转录因子发挥作用。这一发现让人们对这些蛋白在有丝分裂延长期间的作用及其在清除可能致癌的潜在危险细胞方面的作用有了新的认识。

Meitinger 教授说，“当产生的少量这种复合物不足以阻止这些细胞时，这种复合物甚至会在子代细胞中保持稳定并不断积累。子代细胞可以记住祖母细胞有丝分裂适度延长的状态。”

虽然我们体内的每个细胞都有可能发生有丝分裂延迟，但这种情况在正常细胞中并不常见。有丝分裂延迟更有可能发生在受损的细胞中，而有丝分裂秒表复合物则有可能作为一种监视机制清除这些细胞。在癌细胞中，有丝分裂的时间往往更长，而且有缺陷：在这些细胞中，这种途径往往不活跃，因为它发生了突变，有缺陷的有丝分裂推动了癌症的产生。

细胞的命运

为了监测这些细胞通路，这些作者使用了活细胞成像技术，即在显微镜下对细胞进行为期三天的观察。他们通过引入有丝分裂抑制剂，暂时延长了有丝分裂阶段。几小时后，细胞进入有丝分裂延长状态，从而实际上“停留”在这一阶段。然后，他们移除这种抑制剂，让这些细胞继续分裂。

在接下来的三天里，这些作者对这些细胞进行观察，以确定它们的命运---是继续分裂、停止分裂还是死亡。通过这种方法，他们展示了细胞如何检测到延长的有丝分裂并随后启动细胞停滞或死亡。

Belal博士指出，实验中最具挑战性的部分是跟踪这些细胞，因为它们移动频繁，有时会超出显微镜的视野。每次实验至少需要分析160个细胞，而且必须进行多次实验才能确定有丝分裂秒表复合物机制及其在正常细胞和癌细胞类型中的功能。每个细胞都必须单独分析。这一细致的过程使得他们能够充分了解细胞在不同情况下如何对延长的有丝分裂做出反应。

这些作者使用一种名为CRISPR-Cas9的技术来关闭某些基因，然后研究其对p53蛋白的影响。他们发现，某些基因突变会阻止p53正常发挥作用。为了更好地理解这一点，他们如今正在研究构成有丝分裂秒表复合物的蛋白，看看它们在不同条件下是如何相互作用的。

对有丝分裂秒表复合物的鉴定具有潜在的临床应用价值。一些癌症会保持活跃的有丝分裂秒表复合物，这使它们对通过靶向细胞分裂在癌症治疗中发挥着重要作用的抗有丝分裂药物敏感。这些药物目前正在临床使用或开发中。

Meitinger教授说，“如果我们能确定单个癌症中有丝分裂秒表复合物的活性，我们或许就能预测这些癌症对抗有丝分裂药物治疗的反应。”这些作者希望他们的发现最终能够有助于治疗某些癌症。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Franz Meitinger et al. Control of cell proliferation by memories of mitosis. Science, 2024, doi:10.1126/science.add9528.

Memories of mitosis: Molecular mechanism that detects defects during cell division could aid cancer treatment
https://phys.org/news/2024-03-memories-mitosis-molecular-mechanism-defects.html