Cell | 有趣！果蝇胚胎中的细胞核有组织地定位并进行同步化分裂

来源：BioArt

生物的形态发生是一个有趣的生物学过程，从单细胞的受精卵开始进行细胞分裂形成特定数目的细胞，这些细胞有着程序化的定位和分化命运，由此产生了形形色色的生物体。果蝇的胚胎发育过程为研究形态发生提供了极佳模型。 果蝇的受精卵在最初的13次细胞分裂过程中只进行细胞核分裂，而不发生胞质分裂， 这样就形成了在一个长约0.5 mm的卵细胞中同时存在约6000细胞核的合胞体【1,2】。这个多核细胞胚胎。人们称之为“合胞体胚盘”。有趣的是：在这13次分裂过程中，核分裂保持高度同步化，同时随着核分裂的进行，细胞核由聚集在靠近卵前端的位置，先沿着前后轴迁移扩散，再向皮层迁移，最后细胞核在共同的细胞膜下方排成一排（图1）。产卵后两个半小时，合胞体胚盘的细胞膜向内折叠包绕各个细胞核，成为“细胞胚盘”。

图1. 果蝇早期胚胎发育的4个细胞核迁移时相：1）轴向扩散前（ pre-expansion ：1–3 细胞周期)；2）轴向扩展（axial expansion ：4–6细胞周期)；3）皮层迁移 （cortical migration ：7–9细胞周期) 以及；4）胚盘分裂 （blastoderm divisions ：10–13细胞周期). A：前端；P：后端。下方条形框下面的数字表示细胞核分裂次数，蓝色框表示S期（DNA合成期），红色框表示分裂期。

果蝇早期胚胎是如何控制细胞核分裂的同步化过程，并在合胞体胚盘中迁移和定向分布的呢？2019年4月11日，杜克大学医学中心的Stefano Di Talia课题组在Cell上发表文章Self-Organized Nuclear Positioning Synchronizes the Cell Cycle in Drosophila Embryos，解释了其中的机制。

为了解答细胞核分裂的同步化机制，文章作者首先分析了Cdk1（细胞周期调控因子周期蛋白依赖性激酶） 和PP1（有丝分裂磷酸酶）活性的时空特点【3】。为此，作者设计了表征这两个蛋白活性的荧光共振能量转移（FRET）传感器【4】，其作用机制就是该传感器在Cdk1激酶磷酸化的作用下发生构象改变，使得荧光集团靠近发生能量转移，而在PP1磷酸酶的作用下荧光集团分开，能量转移效率降低（图2B）。该传感器可以显示Cdk1/PP1的活性比率。FRET实验得到的结果显示在最初的4-6细胞周期，Cdk1/PP1活性比率在受精卵不同位置处呈现不均一波动性，而在第6细胞周期以后，Cdk1/PP1活性比率随细胞周期呈现规则性震荡，并且不同位置处高度同步化，曲线几乎重合（图2C）

图2. 荧光共振能量转移显示Cdk1/PP1活性比率。B：荧光共振能量转移的原理图。YPet:黄色荧光集团， mCerulean：蓝绿色（cyan）荧光集团。C：胚胎表面不同位置处的FRET 发射比率emission ratio在4-6细胞周期呈现不同的波形震荡，在7-13细胞周期过程中呈现高度同步的波形震荡。C图右上角卵中不同条带指示检测FRET的不同位置。

作者进一步发现，早期胚胎（此时细胞核集中在合胞体的近前端区域）在靠近细胞核团的胚胎表面可以检测到FRET 发射比率呈细胞周期性震荡，而远离细胞核团的位置处检测不到，同时在距离胚胎表面不同深度位置处检测到靠近细胞核团的FRET 发射比率的震荡幅度大于胚胎表面位置的震荡幅度，这些结果提示：细胞核引发了其附近胚胎皮质中Cdk1/PP1活性比率的周期性震荡。那么Cdk1和PP1到底谁在此过程中发挥主导作用呢？因为Cdk1的活性依赖于细胞周期蛋白B (Cyclin B)，利用双光子和荧光显微镜检测Cyclin B 的动态变化发现Cyclin B的表达范围只集中在细胞核附近，只有当细胞核到达胚胎表面，Cyclin B的表达水平才呈现波形震荡。另外调控Cdk1 活性的Wee1突变 后并不影响Cdk1/PP1活性比率的周期性震荡，提示Cdk1并不起主导作用，那么研究目标锁定在PP1, 与野生型相比，PP1杂合子胚胎呈现出幅度变小的Cdk1/PP1活性比率的周期性震荡，该变化是因为PP1的磷酸酶活性降低。基于上述结果，作者推论：Cdk1在胚胎中的整体水平较高，而PP1的整体水平较低，凸显了PP1的主导作用。

那么是否有其他PP1去磷酸化底物响应了PP1的活性变化，并介导细胞核与胚胎皮层之间的信号传递？作者猜测PP1可能招募肌球蛋白II (myosin II) 到细胞核团上方的皮层。后面的实验结果证实了这一猜测，PP1活性升高同时伴随Rho的激活和Myosin的聚集，Myosin 聚集到Cdk1/PP1发生震荡的上方皮层, 随Cdk1/PP1震荡波向两极扩展。由此myosin II 在皮层中形成不同的浓度梯度。Myosin II 和actin形成actomyosin ，actomyosin 伴随细胞周期产生节律性皮层收缩，由此挤压皮层下方的胞质向两级流动，形成胞质流，胞质流带动着细胞核向前后轴两端迁移扩散（图3）。

图3. Myosin梯度引发的胞质流和皮层流模式图：红色是皮层流动方向：从前后两端向中间汇聚，蓝色是胚胎中央的胞质流动方向：由中间向两端扩散。

直到第七次细胞周期，myosin在皮层中扩散均匀，不再收缩，胞质流也随之停止，此时细胞核也在前后轴之间均匀分布。为证明myosin梯度引起的收缩导致了一系列胞质流和皮层流，作者利用光遗传操作，使活化myosin的Rho在皮层中均匀分布，由此盖过了内源的Myosin浓度梯度，产生的表型就是细胞核无法扩散到胚胎前后端。而在PP1杂合突变体中，Myosin的空间分布模式不受影响，但收缩强度降低，由此引起胞质流速度变慢。这些结果揭示了PP1在偶连细胞周期和皮层动态中起重要作用。

至此，4-6细胞周期中细胞核的迁移定位已解析清楚。文章的最后，作者证实了正确的核定位对细胞周期的同步化是必须的，细胞核的定位决定了核质比，核质比能够被细胞周期检测点所感知，因此会延长某些细胞的细胞周期。在影响核迁移扩散的Shackleton突变体中，第13次细胞周期表现出同PP1杂合子类似的不同步性，而这一不同步性被细胞周期检测点chk1/chk2 双突变所挽救。

“我们在果蝇胚胎发育早期细胞核迁移和分裂行为研究中整合了生化细胞信号和机械力学信号”，文章作者说，“这将有助于揭示复杂生物体信号整合的基本原理”。

参考文献

1.Farrell, J.A., and O’Farrell, P.H. (2014). From egg to gastrula: how the cell cycle is remodeled during the Drosophila mid-blastula transition. Annu. Rev. Genet. 48, 269–294.

2. Rabinowitz, M. (1941). Studies on the cytology and early embryology of the egg of Drosophila melanogaster. J. Morphol. 69, 1–49.

3. Grallert, A., Boke, E., Hagting, A., Hodgson, B., Connolly, Y., Griffiths, J.R.,Smith, D.L., Pines, J., and Hagan, I.M. (2015). A PP1-PP2A phosphatase relay controls mitotic progression. Nature 517, 94–98.

4. Deneke, V.E., Melbinger, A., Vergassola, M., and Di Talia, S. (2016). Waves of Cdk1 Activity in S Phase Synchronize the Cell Cycle in Drosophila Embryos. Dev. Cell 38, 399–412.