Nature|真核生物有絲分裂中細胞核重建機制具有高度保守性

撰文 | 鹹姐

責編 | 兮

這是一個被研究了一個多世紀的問題，卻仍然存在著未知。

在原核生物向真核生物轉變的過程中，細胞核的起源是細胞組織進化中最重要的事件之一。而核被膜就是將核質和細胞質分隔開來的一道選擇性滲透屏障，也是細胞核的組織支架。核被膜是由核外膜和核內膜兩層脂質雙層膜組成的內膜系統，核外膜與內質網相連，核內膜富含與染色質相互作用的蛋白質，並與核的結構和功能密切相關，兩種核膜在核孔（含有多個核孔複合物亞單位的用於核質交換的部位）處融合【1】。

真核生物細胞分裂過程中的一個關鍵事件就是將核基因組分裂成兩個。為了實現這一點，複製的姐妹染色體從核被膜中分離出來，通過微管紡錘體的工作使它們彼此分離，然後在有絲分裂退出時被分成兩個新的、相互分離的核。真核生物細胞進化出各種各樣的策略來協調細胞核的重建以及染色體的分離，這之間存在著各種中間狀態，但是包含兩個極端事件，其中一稱為「開放式」有絲分裂，細胞在進入有絲分裂時首先分解核纖層和連續的核被膜，然後在退出有絲分裂時通過重組分離染色體周圍的結構來逆轉這一過程；另一個則為「封閉式」有絲分裂，由於核質間室屏障在整個分裂過程中保持完整，紡錘體極點必須插入到核被膜中，形成一個能驅動染色體分離的核內紡錘體。與前者不同，「封閉式」有絲分裂本質上是膜重建的過程，這一過程主要包括將微管組織中心（MTOC）插入核被膜、分裂後期核被膜的擴張以及核被膜分裂產生兩個獨立的子核【2,3】。基於裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe（S. pombe ，「封閉式」有絲分裂的經典模型）的核分裂實驗發現，S. pombe的細胞核在退出有絲分裂時不會分裂，而是收縮形成啞鈴狀，在分裂後期紡錘體周圍產生一個細細的核橋。雖然分裂後期紡錘體的組織和動力學已被詳細研究過，但是，目前還是不清楚在「封閉式」有絲分裂結束時，核被膜是如何在不破壞細胞核與細胞質之間的屏障的情況下重建以形成兩個新核的。

2020年8月26日，來自英國MRC分子細胞生物學實驗室的Buzz Baum研究團隊在Nature上在線發表題為「Closed mitosis requires local disassembly of the nuclear envelope」的文章，利用裂殖酵母S. pombe為模型，結合遺傳學、活細胞成像和電子斷層掃描技術，證明了「封閉式」有絲分裂過程中的核分裂是通過核橋上核孔的局部分解而實現的（該核橋連接了兩個待分離的子細胞核），並且發現「封閉式」有絲分裂中局部核被膜破裂的機制與「開放式」有絲分裂中核被膜破裂的機制有著密切的相關性，從而揭示了不同真核生物中細胞核重建機制的高度保守性。

研究人員利用合成的核定位綠色螢光蛋白（GFP）來表徵核分裂的動力學，並確定在整個過程中核滲透屏障的維持程度。儘管核GFP水平在整個細胞分裂過程中保持不變，但是研究人員發現在核分裂之前，核橋上的GFP逐漸減少，而子代細胞核中並未出現GFP的洩漏，這是什麼原因造成的呢？

同一時間段內的核被膜重建成像往往非常複雜，因為與其他真核生物一樣，在裂殖酵母中，核被膜的外表面與構成內質網的微管和薄片的三維網狀結構是連續的。因此，為了對該過程進行更好的成像，研究人員篩選出了一個有效的內核膜標記物——Les1，其在整個細胞周期中僅定位於內核膜的核質表面，而不標記內質網微管，並且其在分裂後期集中表達於每個子核的細「橋梁」處。利用Les1作為標記，研究人員詳細地觀察到隨著紡錘體伸長而出現的核形狀的動態變化，即單一核通過一個典型的啞鈴狀中間物分裂為兩個。在核橋形成的早期階段，Les1主要集中在每個子核的基部；在紡錘體伸長最大時，Les1明顯在橋的中間區域耗盡，隨後的幾秒內，紡錘體斷裂（圖1）。由此提示，核橋中間區域可能就是發生核裂變的區域。

圖1 以Les1為標記物的核分裂過程

隨後，研究人員利用相關的光學顯微鏡和電子斷層掃描技術對標記了Les1 mNeonGreen和mCherry Atb2的細胞進行掃描，以表徵細胞周期早期和晚期的核橋特徵。在分裂早期的核橋中，紡錘體周圍出現核被膜（「橋梁」的基部變窄，中部變寬），並布滿核孔；中期時，核孔被完全排除在「橋梁」之外，聚集形成中央隆起；相比之下，在晚期的核橋中，雖然核被膜仍將紡錘體包裹在「橋梁」內，但核橋的中間區域已經沒有連續的核被膜，而是紡錘體微管從兩個新形成的子代核中伸出，通過缺少核孔的「橋梁」膜進入細胞質。在這個階段，核橋中間區域似乎只剩下一些膜碎片，這也解釋了上文中提到的分裂後期核橋中間區域GFP丟失的原因。

上述這個意外的觀察不禁指出了另外一個問題——如果核橋中間區域的核被膜解體導致了細胞核分裂，那麼這個獨特的中間區域是如何被指定的呢？實驗發現，核橋早期出現的核孔完全缺失核籃（核質環向核內伸入的小環）複合物；此外，在Les1集中表達的「橋梁」區域，核孔複合物（NPC）明顯減少；而在Les1表達低的區域——中央隆起處，NPC聚集。由此表明，在核橋內微管膜接觸部位Les1的積累標誌著「橋梁」的形成，其限制了中間區域非核籃NPC的數量，進而標誌著上述獨特中間區域的形成。

進一步地，已知在「開放式」有絲分裂中，NPC的逐漸去除可導致核被膜破裂（NEB）及該過程中結構完整性的喪失，而本文研究人員在裂殖酵母中也發現了這一系列事件的發生，即「局部NEB」。實驗表明Les1「橋梁」可以將子代細胞核從核橋中間區域的依賴於lmp1的局部NEB過程中分離出來。在正常野生型細胞中，Les1通過將核內膜緊密地聚集在紡錘體周圍，導致多餘的膜和大量NPC分離形成核橋中間的特徵性隆起，而在Les1缺失的細胞中則沒有這種結構。由此證明Les1在裂殖酵母的細胞核分裂過程中發揮了關鍵作用，它確保了在有絲分裂的這一階段，細胞核在拓撲結構上對細胞質開放，而核質間隔邊界本身仍保持著有效的封閉（圖2）。

圖2 局部NEB過程及Les1在「橋梁」構建中的作用

綜上所述，本文發現了一種在裂殖酵母核分裂過程中定位核分解位置的蛋白質——Les1，描述了「封閉式」有絲分裂局部核被膜破裂的過程，揭示了「開放式」和「封閉式」有絲分裂過程中核被膜重建的驚人相似性——新核的重構都是NPC分解的結果。由此也表明，真核生物中各種有絲分裂策略的關鍵差異可能只是程度上的不同，只取決於NPC分解的時間和定位。

原文連結：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2648-3

參考文獻

1. Ungricht, R. & Kutay, U. Mechanisms and functions of nuclear envelope remodelling. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 229–245 (2017).

2. Sazer, S., Lynch, M. & Needleman, D. Deciphering the evolutionary history of open and closed mitosis.Curr. Biol. 24, R1099–R1103 (2014).

3. Zhang, D. & Oliferenko, S. Remodeling the nuclear membrane during closed mitosis. Curr. Opin. Cell Biol. 25, 142–148 (2013).