紡錘絲的拉力有多大?有絲分裂的難題被解開了!

2021-02-19 我是科學家iScientist

「膜仁消失現兩體，赤道板上排整齊……」對不少人來說，中學時背下的各種有絲分裂口訣也許已是他們對細胞分裂過程的最後印象。不過，這項被寫進教科書多年的細胞行為，仍有許多細節困擾著當今的生物學家們。

動物細胞有絲分裂的示意動畫。圖片來源：leavingbio.net

其中一個被爭論了許多年的問題，就是在細胞有絲分裂期間，染色體排列在赤道板上準備被分開拉向細胞兩極時，動粒（也就是「著絲點」）受到的拉力有多大。這個問題的答案對弄清動粒的結構，乃至理解細胞如何分裂至關重要，多年來有關於此的估算也各式各樣。「可那些結果在大小上相差數百倍甚至上千倍。」 麻薩諸塞大學阿姆赫斯特分校的細胞生物學家託馬斯·馬雷斯卡（Thomas Maresca）說，「但是現在，我認為我們最終得到了答案。」

根據發表在《自然·通訊》上的論文[1]，馬雷斯卡的團隊利用兩種不同的力感受器去測量果蠅細胞在有絲分裂過程中產生的拉力，他們得出結論：紡錘絲在動粒上施加的、朝向細胞兩極的力足有數百皮牛（1pN=10^-12N）大小。

簡易版的果蠅動粒模型。紅色為與動粒相連的紡錘絲（微管）。綠色、灰色及藍色為構成動粒的蛋白質及蛋白複合體。馬雷斯卡團隊的拉力測量系統構建在CENP-C上。圖片來源：參考文獻[1]

科學家們顯然無法在動粒上拴一個彈簧測力計來完成這樣的任務。在這個研究中，馬雷斯卡和他的博士生葉安娜（Anna Ye）以及斯圖爾特·凱恩（Stuart Cane）三人巧妙地採用了類似的思路——他們構建了兩種不同的力感受器，上面帶有不同的螢光基團。這些感受器在受到拉力時會發生構象變化，螢光強度因而受到改變。通過將這兩種力感受器嵌入果蠅動粒的重要結構——著絲粒蛋白CENP-C中，研究者得以通過分析螢光的改變情況估算施加在每個CENP-C蛋白上的拉力。

第一種力感受器基於螢光能量共振轉移（FRET）效應設計。圖a為原理示意：當青色螢光蛋白與黃色螢光蛋白的距離較遠時，青色螢光蛋白吸收激發光的能量後發出青色螢光；但當青色螢光蛋白與黃色螢光蛋白距離較近（通常小於10nm）時，黃色螢光基團通過FRET效應獲得能量，發出黃色螢光。圖b為感受器示意圖：青色螢光蛋白（mTurquoise2）和黃色螢光蛋白(mVenus)之間用彈性肽鏈相連，在所受拉力較小時，兩個螢光蛋白距離較近，FRET效應較強；而受到較大拉力時，彈性肽鏈被拉長，兩個螢光蛋白之間的距離變大，FRET效應減弱。通過比較細胞分裂間期和細胞分裂中期的結果，研究者最終得出平均每一個CENP-C蛋白受到約1.2-1.4pN的拉力。圖片來源：a：semrock.com；b：參考文獻[1]

第二種力感受器則基於踝蛋白（圖中部紅、白色結構）和黏著斑蛋白（黃、紅色結構）設計。這兩種蛋白能夠結合在一起。踝蛋白受到的拉力作用越大，它與黏著斑蛋白結合的結構域（紅色）就暴露得更多，因此能夠結更多黏著斑蛋白。研究者在CENP-C蛋白中間插入踝蛋白，而在黏著斑蛋白上加上綠色螢光蛋白。通過分析CENP-C蛋白受力時結合在踝蛋白上的螢光，研究者最終發現細胞分裂中期與細胞不分裂時相比，結合在踝蛋白上的黏著斑蛋白相差了約1.3個，根據此前研究數據換算出平均每一個CENP-C蛋白受到的拉力約2pN。圖片來源：參考文獻[1]

在三年多的實驗裡，該課題組獲得了超過3200個數據點。兩套力感受器系統估算得的拉力數據比較一致，研究者認為在果蠅細胞有絲分裂中期，每個CENP-C蛋白受力在1-2pN之間。其他研究結果提示，平均而言，每個動粒與11條微管連接，每條微管與12到31個CENP-C蛋白結合，因此，在果蠅細胞分裂過程中將拖拽動粒的拉力範圍在135-677pN之間。考慮到這一受力結構的尺度，這樣的拉力已經非常高。「在細胞中有不同的分子馬達，有一些像短跑運動員，但是我們測得的這個更像是推土機——它們能夠在一個緩慢而穩定的速率下製造比較大的力。」馬雷斯卡說。

研究者推斷，這樣強大的壓力主要是微管的動力過程過程產生的。他表示，分子馬達在微管上移動，就像在高速公路上行駛一樣。「這種拉力非常強，但並不是很快，我們認為是『道路』而非『汽車』產生了大部分存在的拉力。」他希望這些研究結果能幫助人們解決由來已久的拉力問題，並由此進一步加深對細胞分裂過程的理解。

（編輯：Calo；排版：Sol_陽陽）

參考資料：
1.Anna, A. Ye, Stuart Cane, and Thomas J. Maresca. "Chromosome biorientation produces hundreds of piconewtons at a metazoan kinetochore." Nature Communications 7 (2016): 13221.
2.Strong, Steady Forces at Work During Cell Division. umass.edu

本文來自果殼網，謝絕轉載

如有需要請聯繫sns@guokr.com歡迎個人轉發到朋友圈

科研最新進展，學術最新動態，頂級學者的思考和見解。

長按二維碼關注科學人（微信號：scientific_guokr）。



植物細胞有絲分裂和動物細胞有絲分裂有啥區別？

有絲分裂和減數分類有啥區別？

是時候翻翻生物課本了

植物細胞分裂的關鍵是什麼？

點擊「閱讀原文」了解一下

相關焦點

  • 穩態強磁場影響人體細胞有絲分裂紡錘體
    近日，中科院強磁場科學中心科研人員與哈佛醫學院科研人員合作，利用強磁場科學中心大科學裝置四號水冷磁體，首次發現27萬高斯強穩態磁場能夠顯著改變人類細胞有絲分裂紡錘體的排布方向及形態。據悉，這是目前國際上唯一一例20萬高斯以上強穩態磁場下的細胞生物學效應研究。
  • 生物學科知識點——有絲分裂
    在高中教師資格生物學科考試中，細胞的有絲分裂是重要的內容，考生在這部分不僅要掌握細胞周期的概念、細胞周期的的特點，同時更要掌握有絲分裂的具體過程。尤其是有絲分裂各時期的特點以及DNA數量的變化等均是考試多次出現的考點，所以考生應當對這部分內容理解並加以記憶。筆者在此對細胞周期以及有絲分裂的具體內容進行詳細介紹。
  • 例題分享有絲分裂和無絲分裂
    D．肝細胞的細胞周期中染色體存在的時間比染色質的長【解析】等位基因的分離發生在減數分裂過程中，減數分裂沒有細胞周期，A錯誤；紡錘絲出現在有絲分裂前期，B錯誤；DNA複製需要解螺旋，染色體高度螺旋化，難以解旋，C正確；染色體存在於分裂期，分裂期的時間遠小於分裂間期，D錯誤。
  • 再談著絲粒、著絲點在有絲分裂和減數分裂中的修訂
    人教版必修一《細胞的增殖·有絲分裂》P112~P113用詞「著絲點"：「前期：每條染色體包括兩條並列的姐妹染色單體，這兩條染色單體由一個共同的著絲點連接；中期：每條染色體著絲點的兩側，都有紡錘絲附著在上面，紡錘絲牽引著染色體運動；後期：每個著絲點分裂成兩個，姐妹染色單體分開，成為兩條子染色體"。
  • 細胞骨架與有絲分裂
    而在實際教學中，教師對細胞骨架在細胞分裂中所起作用仍存有疑問，如紡錘絲如何控制染色體在不同分裂時期的行為、有絲分裂末期細胞胞質分裂與何因素有關等。1細胞骨架的組成及功能概述細胞骨架是貫穿在整個細胞質中，由蛋白質纖維組成的網狀結構#這些蛋白質纖維可分為3類，分別是微管、微絲和中間絲（表1）。
  • 海洋微課堂(20)| 有絲分裂、減數分裂、無絲分裂 Mitosis、Meiosis、Amitosis
    定義有絲分裂（mitosis）又稱為間接分裂，是指一種真核細胞分裂產生體細胞的過程。特點細胞在分裂的過程中有紡錘體和染色體出現，使已經在S期複製好的子染色體被平均分配到子細胞，這種分裂方式普遍見於高等動植物（動物和高等植物）。
  • 《自然-細胞生物學》發表有絲分裂紡錘體基質研究的新進展
    2月9日，國際著名學術期刊《自然細胞生物學》（Nature Cell Biology）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所朱學良研究員和美國華盛頓卡耐基研究所鄭詣先教授的合作研究結果：Nudel和胞質動力蛋白在紡錘體基質組裝中發揮重要的作用，進而調控有絲分裂紡錘體的正確形成。
  • 高中生物篇158:細胞增殖、有絲分裂和無絲分裂知識點小結
    高中生物篇158：細胞增殖、有絲分裂和無絲分裂知識點小結如：人體是由一個受精卵發育成具有1014個細胞，這一過程是怎樣進行的？細胞與細胞之間在結構上有沒有差異？他又是如何保證彼此之間的相似性的？1. 生物體的重要生命特徵，細胞是以分裂的方式進行增殖的。
  • 新型冠狀病毒33:胡晉川博士;高通量測序;間期,有絲分裂,紡錘
    、新型冠狀病毒33：胡晉川博士；高通量測序；間期，有絲分裂，紡錘 …間期：細胞從一次有絲分裂結束到下一次有絲分裂的分裂期之前的時期，是有絲分裂的準備階段。在間期進行染色體的複製，包括其DNA、RNA和蛋白質的合成。 間期是細胞循環中細胞生長和工作的時段，一個細胞在細胞循環90%左右的時間是在間期中。
  • 無絲分裂和二分裂
    介紹細胞分裂時，我簡單提到過，除了有絲分裂和減數分裂外，真核細胞還能進行無絲分裂，單細胞的分裂方式主要是二分裂。
  • 5張圖搞定「減數分裂和有絲分裂重點知識列表梳理」
    分裂期前期①兩級發出紡錘絲，形成紡錘體②染色質變為染色體，散布在紡錘體中央③核膜、核仁消失中期①染色體的著絲點兩側連有紡錘絲②染色體的著絲點排列在赤道板上③染色體高度螺旋化，形態固定，數目清晰後期①著絲點分裂，形成兩套完全相同的染色體②紡錘絲收縮，兩套染色體分別移向細胞兩極③細胞中的染色體數目加倍
  • 高中生必看 | 減數分裂和有絲分裂重點知識列表梳理
    分裂期前期①兩級發出紡錘絲，形成紡錘體②染色質變為染色體，散布在紡錘體中央③核膜、核仁消失中期①染色體的著絲點兩側連有紡錘絲②染色體的著絲點排列在赤道板上③染色體高度螺旋化，形態固定，數目清晰後期①著絲點分裂，形成兩套完全相同的染色體②紡錘絲收縮，兩套染色體分別移向細胞兩極③細胞中的染色體數目加倍
  • 對著絲點分裂還是著絲粒分裂的分析
    後來人們通過超薄切片在電鏡下觀察發現，中期染色體主縊痕（著絲粒區域）外側有一塊盤狀或杯狀的三層結構附加物，是紡錘絲的附著點，將其稱為著絲點；在20世紀80年代，幾個實驗室相繼發現在一種人類進行性系統性硬皮病症候群患者的血清中，存在著能與中期染色體著絲粒發生免疫反應的抗體，但後來Brenner等利用免疫電鏡證明，患者血清中的這一抗體實際上是和著絲粒外側的著絲點蛋白特異性結合的成分，這也從分子生物學角度將著絲點和著絲粒區分開來
  • 發現細胞內有摩擦力,有絲分裂紡錘體,分裂過程中將染色體拉開!
    這些新的發現對於理解細胞結構的動力學很重要，比如有絲分裂紡錘體，它在細胞分裂過程中將染色體拉開。 許多細胞結構由由馬達蛋白和非馬達蛋白交聯的長絲組成，這些所謂的細胞骨架結構不僅使細胞具有機械穩定性，而且使它們能夠在細胞分裂過程中穿過表面並將染色體拉開。
  • 你真的了解無絲分裂與二分裂嗎?
    關於「細菌的二分裂究竟可不可以稱為無絲分裂？」以及「只有真核生物可以進行無絲分裂嗎？」我也請教了我的大學老師。老師查閱了細胞生物學的相關書籍後指出：有絲分裂是針對真核生物來說的，原核細胞是不是無絲分裂確實不清楚，有絲分裂的紡錘絲是微管，而細胞骨架系統是真核細胞特有結構之一。
  • 【網課】細胞增殖(第3課時 動物細胞有絲分裂、實驗、無絲分裂)(電子教材+直播視頻+學習筆記+在線測試)
    第6章 細胞的生命歷程第1節 細胞的增殖②動物細胞的有絲分裂－與植物細胞有絲分裂的區別：比較項目植　　　物動　　　物前期－紡錘體形成方式不同從細胞兩極發出紡錘絲形成紡錘體兩組中心粒之間的星射線形成紡錘體末期－子細胞分開方式不同在赤道板部位出現細胞板
  • 細胞分裂過程紡錘體組裝提出新觀點
    領導這一研究的是遺傳與發育生物學研究所基因組生物學研究中心程祝寬研究員，其早年畢業於揚州大學，目前主要從事植物減數分裂過程的遺傳控制，水稻花器官發育及種子形成的分子機理等方面的研究。這項研究得到科技部和國家自然科學基金委項目的資助。 在細胞分裂過程中紡錘絲與著絲粒起初會以隨機方式相連接，使得前中期存在許多錯誤的連接方式。
  • 二分裂與無絲分裂生殖方式異同比較
    在這幾種分裂模式中，無絲分裂是真核生物的一種分裂模式，而真核生物包括有絲分裂、減數分裂和無絲分裂這三種形式，而二分裂只是針對原核生物才有的一種分裂模式，這是最根本的區分。其次，關於這幾種分裂形式，我們來看一下它的具體闡釋。
  • 2019福建教師資格考試備考:高中生物《有絲分裂與減數分裂》模擬題
    A.有絲分裂和減數分裂均通過DNA複製形成兩套完全相同的核基因B.有絲分裂和減數分裂過程中都發生一次著絲點分裂導致染色體消失C.有絲分裂與減數分裂過程中同源染色體的行為相同，染色體數目變化不相同D.有絲分裂產生的子細胞基因型相同，減數分裂產生的子細胞基因型各不相同4.如圖為某動物細胞分裂圖象，有關敘述錯誤的是( )。
  • 關於減數分裂與有絲分裂異同
    二、關於減數分裂與有絲分裂異同 不同點在於：減數分裂時，連續進行 兩次核分裂，其中染色體DNA只復 制一次，結果染色體的數目減少一 半，染色體由2n減到n。在配子形 成過程中或在配子形成前減數分 裂，因此配子具有單倍染色體（n)。