从纺锤体微管的形成到染色体分离的研究进展

从纺锤体微管的形成到染色体分离的研究进展 【关键词】 纺锤体 纺锤体是细胞有丝分裂过程中形成的重要细胞器，在细胞分裂后期染色体的分离过程中具有重要作用。构成纺锤体的主要物质是α/β-微管蛋白所组成的微管。纺锤体微管可分为:(1)起始于两极的发散到细胞质的星体微管，(2)起始于两极与染色体着丝粒连接的微管(着丝粒微管)，(3)起始于两极呈反向平行排列或与染色体臂相互作用的微管 ,1, 。目前关于脊椎动物纺锤体形成机制的大量研究明:纺锤体形成是以中心体为中心，纺锤体的形成源自星体微管和染色体的相互作用。最近由于微管动态不平衡性的发现建立了“搜寻和捕获(search and capture)”模型，得知微管成核于中心体，靠着丝粒来稳定，从而形成两极纺锤体。纺锤体形成后其结构并非是一成不变的，而是随着细胞分裂的推进通过在纺锤体微管的末端发生微管蛋白异二聚体的聚合或解聚而保持高度的不稳定性。微管通过在其末端添加或缺失α/β-微管蛋白二聚体而发生聚合或解聚，并且聚合和解聚相互依存，这就是微管的动态不平衡性。纺锤体微管的动态不平衡性的保持主要受两类调节因子的调控。一类是具有稳定和延长纺锤体微管的因子，称为稳定因子(stabilizer);另一类是具有降解和破坏纺锤体微管的因子，成为非稳定因子(destabilizer)。染色体分离是以微管动态不平衡性为基础的。通过纺锤体微管的形成、黏附和解聚作用，染色体逐步向细胞的两极运动而达到分离的目的。本文旨在对国内外学者从事细胞有丝分裂从纺锤体的形成到姊妹染色单体分离过程中一些影响因子的研究进展加以综述。 1 纺锤体微管的形成及其动态不平衡性 1.1 纺锤体的形成 研究表明，在脊椎动物中的纺锤体微管成核于位于中心体周围物质(PCM)上的γ-微管蛋白环形复合体(γ-TuRC) ,2, ，即以中心体为中心，以“搜寻和捕获”模型形成纺锤体微管。因此，那些能调节中心体复制及具有使微管解聚或聚合的因子都可能调节纺锤体微管的形成。DdCP224和XCS-1是两种可以影响中心体复制的因子。DdCP224是Dictyostelium discoideum中的只定位在中心体上而在细胞质中缺失的一种微管相关蛋白(MAP)，同人类TOGp有较高的同源性。实验DdCP224-GFP表明Dd-CP224与中心体的复制相关 ,3, 。XCS-1蛋白是蟾蜍类有丝分裂调节因子，与人类的分裂信号蛋白(CS-1)有很高的同源性。XCS-1蛋白在组织定位上有其特异性，在细胞分裂期位于纺锤体上，在细胞间期位于中心体上。研究表明，过量表达的XCS-1蛋白可以涉及有丝分裂异常、中心体数目增加、多极纺锤体和染色体分配异常等方面 ,4, 。 1.2 微管的动态不平衡性 纺锤体微管动态不平衡性的维持受多种因子的调节。Katanin是其中一种可以影响微管动态不平衡性的蛋白，属微管剪切蛋白家族成员。在蟾蜍和Hela细胞中的研究发现，Katanin是位于中心体上由p60和p80两个亚基组成的二聚体。其中p60亚基具有酶切活性，属微管剪切酶ATP酶的一种，可以在纺锤体的负端剪切微管使其解聚而破坏微管的动态平衡性。p80亚基虽然没有酶切功能但可使katanin的定位于中心体上 ,5, 。把p60和p80同时转染到Hela细胞中，可增加微管降解活性和选择性地结合纺锤体两极 ,6, 。研究还发现在蟾蜍类动物中，katanin在细胞间期没有活性，只有在分裂期才有活性。这说明katanin的活性还受其他因子的调节。Plx1这种极样激酶，在体内可以与katanin共存于纺锤体极上，体外实验表明它可以增加katanin的微管剪切活性 ,15, 。 2 纺锤体两极的确定和向染色体方向延伸 2.1 纺锤体两极的确定 纺锤体两极的确定是细胞分裂的前提。由于组成微管的物质α/β-微管蛋白异二聚体具有正负两极，其中α端为负端，β端为正端。微管都是由α/β-微管蛋白异二聚体首尾相接而成，这就组成了微管的两端。其负端位于中心体周围物质中的γ-TuRC中，正端与染色体相连或在赤道板区域呈反向平行相连或游离在细胞质中。在细胞间期，组成细胞骨架的微管随机位于细胞质中。当细胞进入分裂期，复制后的两个中心体分别向细胞的两端运动，并使细胞拉长，同时微管成束并有序排列，这就确立了纺锤体的两极。中心体的反向运动受动力微管、皮层动力蛋白和位于极间微管束(ipMT)的多极微管滑行动力的相互作用所产生的向内、向外两种驱动力的作用 ,12, 。有研究表明，在细胞分裂早期，KSP和BimC亚家族可介导中心体的分离和纺锤体两极的形成 ,12, 。KSP属于激蛋白家族，在胸腺、扁桃体、睾丸、食管上皮和骨髓等人类增生性组织细胞中大量存在，而在神经细胞等组织细胞中没有。在抑制KSP功能时，可形成单极纺锤体。KSP的这种组织特异性以及RNAi抑制KSP功能时的表现表明，KSP在细胞分裂过程纺锤体两极的形成中具有重要的作用。KLP61F是BimC亚家族中的一个成员，在间期位于细胞质中，在分裂前期位于中心体星体上，而在以后的各个时期与纺锤体结构相关 ,16, 。由于KLP61F在体细胞上定位有上述周期性的变化，并且KLP61F在组装纺锤体过程中具有重要作用，表明KLP61F可能对纺锤体两极的确定起到一定的作用。 2.2 纺锤丝向染色体方向的延伸 纺锤丝的延伸是微管动态不平衡性的表现。细胞进入分裂期，纺锤丝在星体微管的基础上通过聚合α/β-微管蛋白异二聚体而向四周发散延长。到底是什么机制使纺锤丝向染色体方向排列呢?目前研究认为有两类调节蛋白具有使纺锤丝向染色体延伸的作用。第一类是位于纺锤丝微管上的微管相关蛋白(MAP)。表现在两个方面:一是此类蛋白可以结合在微管的两端，通过在微管的两端聚合α/β-微管蛋白异二聚体使微管延长;二是结合在纺锤丝微管上的此类蛋白可以起到稳定微管结构并且在空间上可能存有某种诱导纺锤丝向染色体方向排列的作用力。第二类是位于着丝粒上某些蛋白(如CENP家族)。这类蛋白主要是通过直接或间接与纺锤丝的相互作用起到稳定纺锤丝微管的作用。 3 纺锤体微管与着丝粒的连接 姊妹染色体分离是以纺锤体微管与染色体连接为基础的，再通过纺锤体微管在其末端解聚迫使染色体向两极运动而实现。 3.1 APC和EB1在纺锤体与着丝粒连接中的作用 APC(adenomatous polyposis coli)和EB1(end-binding protein1)在微管与着丝粒的连接中有重要作用 ,17，18, 。EB1是一种位于微管正端的微管相关蛋白，在细胞分裂期纺锤体形成开始是便附着在微管的正端，具有调节纺锤体微管的组装和稳定微管的作用，并可使纺锤体微管向染色体方向延长。APC也是一种微管相关蛋白，在细胞间期，位于微管正端(与细胞膜相连)起到稳定微管的作用。当细胞进入分裂期，APC是位于纺锤体微管正端(与着丝粒相连)可能起到连接纺锤体微管和着丝粒的作用。大量实验也已了APC的一个重要功能是涉及纺锤体微管正端与染色体的着丝粒的连接 ,7，19,。通过对APC结构的研究表明，在APC的C-端有两个功能结构域，一个可以直接同微管连接，另一个可以与EB1连接，通过形成一种EB1-APC复合物与纺锤体微管正端相连 ,7, ，EB1可能起到一种诱导和稳定APC连接纺锤体微管与着丝粒的功能。因此，APC可以直接连接纺锤体微管和着丝粒，也可通过与EB1的连接使纺锤体微管附着在着丝粒上。APC的活性还受到多种因子的调控。 3.2 Bub1和Mad2对纺锤体微管与着丝粒连接中的调节作用 Bub1和Mad2是两种关卡蛋白，可以通过调节相应蛋白的活性起到调节纺锤体微管和着丝粒连接的作用。Bub1可以同APC连接并使其发生磷酸化。Kenneth ,7,等人研究发现，Bub1可与APC的中段和C-端结合并可抑制APC的活性。在调节微管与着丝粒的连接过程中，Bub1的另一个功能是可以与着丝粒蛋白CENP-E形成复合物 ,8, 。CENP-E是着丝粒特异蛋白家族(CENPs)成员之一，能特异地连接微管和着丝粒。Bub1与CENP-E地结合可能有诱导CENP-E连接纺锤体微管活性作用。Mad2可以短暂地结合到未连接在纺锤体微管上的着丝粒上，并发生去磷酸化而被激活。当着丝粒与纺锤体微管连接后，Mad2就从着丝粒上脱离下来。 3.3 cdc42和mDia3在稳定着丝粒微管中的作用 研究表明，cdc42和mDia3可以调节微管与着丝粒的连接 ,9, 。cdc42是mDia3的配体，属Rho(一种小分子的GTP酶)家族中一个成员。目前关于cdc42功能的研究表明:(1)cdc42可以通过组装动力蛋白细胞骨架和调节微管排列及其聚合来调节细胞形态发生 ,10, ;(2)在哺乳动物细胞中，cdc42可以介导染色体的排列，抑制或加强cdc42的活性都可引起染色体排列错误、前中期的延迟和染色体分离错误 ,9, 。在细胞分裂中期，cdc42是在ECT2和MgcRacGAP(另一种Rho家族成员)的调节下被激活的。此外，cdc42还可以间接地调节APC的活性 ,11, 。 mDia3是mDia家族唯一可与cdc42结合的成员。在Hela细胞分裂的各个时期中，mDia3都与CENP-A交连存在，但不影响CENP-A在着丝粒上的定位。在细胞间期，mDia3主要位于细胞质和微管末端，细胞分裂的前期和中期，mDia3和CENP-A位于着丝粒上，并且在中期，mDia3的位置还与p150这种可使微管瞄定着丝粒的dynactin-dynein复合物成员并列存在。到细胞分裂后期，mDia3和CENP-A则向纺锤体微管移动，特别到后期末，mDia3和CENP-A在纺锤体微管的中段聚集。这表明mDia3可能起到稳定纺锤体微管与着丝粒连接的作用。研究表明mDia3在NIH3T3细胞中的活性表达可以引起染色体错误排列和多核细胞的形成 ,9, 。因此，cdc42和mDia3虽然不能引发微管与着丝粒连接，但可起稳定微管和着丝粒连接的作用 ,9, 。以上可知，EB1和在Mad2和Bub1相互作用下激活后的APC的相互作用可引发纺锤体微管与着丝粒的连接，cdc42和mDia3的相互作用可起到稳定纺锤体微管与着丝粒的连接的作用。 4 染色体向两极运动 在细胞分裂后期姊妹染色体发生分离并向纺锤体两极运动。染色体的极向运动是着丝粒蛋白、激蛋白家族和微管动态学活性的表现 ,12, 。大量研究表明，染色体的两极运动的发生主要是通过在纺锤体的两末端降解微管蛋白二聚体来实现的。针对纺锤体微管(着丝粒微管)有其两极末端的结构特性，提出了染色体两极运动的两种模型。一种是及“Pac-man”模型。在这种模型里，染色体运动是在着丝粒微管的正端通过“嚼碎(chewing up)”微管使着丝粒微管发生降解来实现。另一种叫“极向融解(poleward flux)”模型。在这种模型里，着丝粒与着丝粒微管牢固结合，染色体通过着丝粒微管的负端的降解向两极运动。实验证明，细胞分裂后期的染色体运动时这两种模型同时存在，并受不同因子的调节。 KLP59C和KLP10A是两种具有破坏微管稳定性作用的Kin?激蛋白酶，在果蝇的正常染色体极向运动中有重要作用 ,13，14, ，但其作用机制不尽相同。研究表明，在细胞分裂后期，KLP59C位于着丝粒上，而KLP10A主要位于纺锤体两极。Rogers等人发现抑制这两种中的任意一种都可影响染色体的分离。进一步研究发现:KLP59C是通过“Pac-man”模型，即在着丝粒微管的正端通过剪切微管蛋白二聚体使着丝粒微管发生降解实现染色体分 离。KLP10A则是通过在纺锤体微管负端的降解，即以“极向融解”模型来实现染色体的分离。 5 小结 纺锤体是细胞分裂过程中特有的细胞结构。虽然目前对纺锤体的结构有一定的研究，并取得了很多的研究成果。但对于纺锤体的形成过程在很大程度上还只是停留在假设阶段，还有很多有待解决的问。例如，目前知道组成细胞骨架微管和纺锤体微管的主要成员都是α/β-微管蛋白异二聚体，到底是什么机制使得细胞进入分裂期时，α/β-微管蛋白异二聚体迅速在中心体上聚集组成星体微管进而形成纺锤体呢? 细胞分裂异常的主要表现是染色体的不对称分离，在多种肿瘤及许多遗传性疾病中都涉及到染色体分离不均。目前关于染色体的不对称分离的机制还不是很清楚，从理论上讲，从纺锤体的形成到染色单体的分离出现异常都有可能导致染色体的分离不均。例如，有研究表明，APC、EB1等多种分子发生突变时可引起染色体的不对称分离 ,20, 。因此，深入对从纺锤体的形成到染色单体的分离过程中所涉及的相关蛋白及调节蛋白的研究将有助于理 解细胞分裂过程，并对肿瘤、染色体病的研究打下很好的基础。 【参考文献】 [1] 王生,陆茵,张随学,赵杨,王颖钰,郑仕中,王爱云. 细胞电荷:抗肿瘤研究潜在的重要靶标[J]. 中国药理学通报. 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