Nature：真核生物有丝分裂过程中细胞核重建机制具有高度保守性

来源：BioArt

这是一个被研究了一个多世纪的问题，却仍然存在着未知。

在原核生物向真核生物转变的过程中，细胞核的起源是细胞组织进化中最重要的事件之一。而核被膜就是将核质和细胞质分隔开来的一道选择性渗透屏障，也是细胞核的组织支架。核被膜是由核外膜和核内膜两层脂质双层膜组成的内膜系统，核外膜与内质网相连，核内膜富含与染色质相互作用的蛋白质，并与核的结构和功能密切相关，两种核膜在核孔（含有多个核孔复合物亚单位的用于核质交换的部位）处融合【1】。

真核生物细胞分裂过程中的一个关键事件就是将核基因组分裂成两个。为了实现这一点，复制的姐妹染色体从核被膜中分离出来，通过微管纺锤体的工作使它们彼此分离，然后在有丝分裂退出时被分成两个新的、相互分离的核。真核生物细胞进化出各种各样的策略来协调细胞核的重建以及染色体的分离，这之间存在着各种中间状态，但是包含两个极端事件，其中一称为“开放式”有丝分裂，细胞在进入有丝分裂时首先分解核纤层和连续的核被膜，然后在退出有丝分裂时通过重组分离染色体周围的结构来逆转这一过程；另一个则为“封闭式”有丝分裂，由于核质间室屏障在整个分裂过程中保持完整，纺锤体极点必须插入到核被膜中，形成一个能驱动染色体分离的核内纺锤体。与前者不同，“封闭式”有丝分裂本质上是膜重建的过程，这一过程主要包括将微管组织中心（MTOC）插入核被膜、分裂后期核被膜的扩张以及核被膜分裂产生两个独立的子核【2,3】。基于裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe（S. pombe ，“封闭式”有丝分裂的经典模型）的核分裂实验发现，S. pombe的细胞核在退出有丝分裂时不会分裂，而是收缩形成哑铃状，在分裂后期纺锤体周围产生一个细细的核桥。虽然分裂后期纺锤体的组织和动力学已被详细研究过，但是，目前还是不清楚在“封闭式”有丝分裂结束时，核被膜是如何在不破坏细胞核与细胞质之间的屏障的情况下重建以形成两个新核的。

2020年8月26日，来自英国MRC分子细胞生物学实验室的Buzz Baum研究团队在Nature上在线发表题为“Closed mitosis requires local disassembly of the nuclear envelope”的文章，利用裂殖酵母S. pombe为模型，结合遗传学、活细胞成像和电子断层扫描技术，证明了“封闭式”有丝分裂过程中的核分裂是通过核桥上核孔的局部分解而实现的（该核桥连接了两个待分离的子细胞核），并且发现“封闭式”有丝分裂中局部核被膜破裂的机制与“开放式”有丝分裂中核被膜破裂的机制有着密切的相关性，从而揭示了不同真核生物中细胞核重建机制的高度保守性。

研究人员利用合成的核定位绿色荧光蛋白（GFP）来表征核分裂的动力学，并确定在整个过程中核渗透屏障的维持程度。尽管核GFP水平在整个细胞分裂过程中保持不变，但是研究人员发现在核分裂之前，核桥上的GFP逐渐减少，而子代细胞核中并未出现GFP的泄漏，这是什么原因造成的呢？

同一时间段内的核被膜重建成像往往非常复杂，因为与其他真核生物一样，在裂殖酵母中，核被膜的外表面与构成内质网的微管和薄片的三维网状结构是连续的。因此，为了对该过程进行更好的成像，研究人员筛选出了一个有效的内核膜标记物——Les1，其在整个细胞周期中仅定位于内核膜的核质表面，而不标记内质网微管，并且其在分裂后期集中表达于每个子核的细“桥梁”处。利用Les1作为标记，研究人员详细地观察到随着纺锤体伸长而出现的核形状的动态变化，即单一核通过一个典型的哑铃状中间物分裂为两个。在核桥形成的早期阶段，Les1主要集中在每个子核的基部；在纺锤体伸长最大时，Les1明显在桥的中间区域耗尽，随后的几秒内，纺锤体断裂（图1）。由此提示，核桥中间区域可能就是发生核裂变的区域。

 图1 以Les1为标记物的核分裂过程

随后，研究人员利用相关的光学显微镜和电子断层扫描技术对标记了Les1 mNeonGreen和mCherry Atb2的细胞进行扫描，以表征细胞周期早期和晚期的核桥特征。在分裂早期的核桥中，纺锤体周围出现核被膜（“桥梁”的基部变窄，中部变宽），并布满核孔；中期时，核孔被完全排除在“桥梁”之外，聚集形成中央隆起；相比之下，在晚期的核桥中，虽然核被膜仍将纺锤体包裹在“桥梁”内，但核桥的中间区域已经没有连续的核被膜，而是纺锤体微管从两个新形成的子代核中伸出，通过缺少核孔的“桥梁”膜进入细胞质。在这个阶段，核桥中间区域似乎只剩下一些膜碎片，这也解释了上文中提到的分裂后期核桥中间区域GFP丢失的原因。

上述这个意外的观察不禁指出了另外一个问题——如果核桥中间区域的核被膜解体导致了细胞核分裂，那么这个独特的中间区域是如何被指定的呢？实验发现，核桥早期出现的核孔完全缺失核篮（核质环向核内伸入的小环）复合物；此外，在Les1集中表达的“桥梁”区域，核孔复合物（NPC）明显减少；而在Les1表达低的区域——中央隆起处，NPC聚集。由此表明，在核桥内微管膜接触部位Les1的积累标志着“桥梁”的形成，其限制了中间区域非核篮NPC的数量，进而标志着上述独特中间区域的形成。

进一步地，已知在“开放式”有丝分裂中，NPC的逐渐去除可导致核被膜破裂（NEB）及该过程中结构完整性的丧失，而本文研究人员在裂殖酵母中也发现了这一系列事件的发生，即“局部NEB”。实验表明Les1“桥梁”可以将子代细胞核从核桥中间区域的依赖于lmp1的局部NEB过程中分离出来。在正常野生型细胞中，Les1通过将核内膜紧密地聚集在纺锤体周围，导致多余的膜和大量NPC分离形成核桥中间的特征性隆起，而在Les1缺失的细胞中则没有这种结构。由此证明Les1在裂殖酵母的细胞核分裂过程中发挥了关键作用，它确保了在有丝分裂的这一阶段，细胞核在拓扑结构上对细胞质开放，而核质间隔边界本身仍保持着有效的封闭（图2）。

 图2 局部NEB过程及Les1在“桥梁”构建中的作用

综上所述，本文发现了一种在裂殖酵母核分裂过程中定位核分解位置的蛋白质——Les1，描述了“封闭式”有丝分裂局部核被膜破裂的过程，揭示了“开放式”和“封闭式”有丝分裂过程中核被膜重建的惊人相似性——新核的重构都是NPC分解的结果。由此也表明，真核生物中各种有丝分裂策略的关键差异可能只是程度上的不同，只取决于NPC分解的时间和定位。