細(xì)胞分裂是生命最基本的過程之一。從細(xì)菌到藍(lán)鯨，地球上的每一種生物都依賴于細(xì)胞分裂來生長、繁殖和物種生存。然而，不同的生物體在完成這一普遍過程的方式上存在著顯著的差異。海德堡EMBL的Dey小組和他們的合作者最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究探索了真菌和動(dòng)物近親中不同的細(xì)胞分裂模式是如何進(jìn)化的，首次證明了生物體的生命周期和細(xì)胞分裂方式之間的聯(lián)系。
盡管動(dòng)物和真菌在10億年前擁有共同的祖先，但它們在許多方面都很相似。兩者都屬于一個(gè)更廣泛的群體，稱為“真核生物”，這種生物的細(xì)胞將遺傳物質(zhì)儲存在一個(gè)被稱為“細(xì)胞核”的封閉隔間中。然而，兩者在如何進(jìn)行許多生理過程方面有所不同，包括最常見的細(xì)胞分裂類型——有絲分裂。
大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞經(jīng)歷“open”有絲分裂，當(dāng)細(xì)胞分裂開始時(shí)，核膜——將細(xì)胞核與細(xì)胞其他部分分開的兩層膜，會破裂。然而，大多數(shù)真菌使用一種不同形式的細(xì)胞分裂：稱為“closed”有絲分裂，在分裂過程中核膜保持完整。然而，對于這兩種不同的細(xì)胞分裂模式為何或如何進(jìn)化，以及哪些因素決定了哪種模式在特定物種中主要遵循，人們知之甚少。
這個(gè)問題引起了海德堡EMBL Dey小組的科學(xué)家們的注意，他們研究細(xì)胞核和細(xì)胞分裂的進(jìn)化起源。“通過研究生物體的多樣性和重建事物的進(jìn)化方式，我們可以開始問是否存在普遍的規(guī)則，這些規(guī)則是這些基本生物過程如何運(yùn)作的基礎(chǔ)，”海德堡EMBL小組組長Gautam Dey說。
2020年，在COVID-19封鎖期間，Dey的團(tuán)隊(duì)與洛桑瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Omaya Dudin團(tuán)隊(duì)之間的討論產(chǎn)生了一個(gè)意想不到的答案。Dudin是一種不同尋常的海洋原生生物——魚孢子蟲的專家。魚孢子蟲與真菌和動(dòng)物都有密切的關(guān)系，在進(jìn)化家譜上，不同的物種更接近于其中一個(gè)群體。
Dey和Dudin小組與海德堡EMBL的Yannick Schwab小組合作，決定以魚孢子蟲為模型，探索開放和封閉有絲分裂的起源。有趣的是，研究人員發(fā)現(xiàn)某些種類的魚孢子蟲進(jìn)行閉合有絲分裂，而其他種類的魚孢子蟲進(jìn)行開放有絲分裂。因此，通過比較和對比它們的生物學(xué)特性，他們可以深入了解生物體如何適應(yīng)和使用這兩種細(xì)胞分裂模式。
Hiral Shah是EIPOD的研究員，負(fù)責(zé)這三個(gè)小組的研究。他說:“我很早就認(rèn)識到，魚孢子蟲具有許多細(xì)胞核，并且在動(dòng)物和真菌之間具有關(guān)鍵的進(jìn)化地位，非常適合解決這個(gè)問題。很明顯，這需要匯集Dey、Dudin和Schwab團(tuán)隊(duì)的細(xì)胞生物學(xué)和技術(shù)專業(yè)知識，這正是EIPOD獎(jiǎng)學(xué)金讓我做的。”
在仔細(xì)研究了兩種魚孢子蟲的細(xì)胞分裂機(jī)制后，研究人員發(fā)現(xiàn)，其中一種魚孢子蟲(S. arctica)傾向于閉合有絲分裂，類似于真菌。北極S. arctic也有一個(gè)多核階段的生命周期，其中許多核存在于同一個(gè)細(xì)胞中，這是許多真菌物種以及某些動(dòng)物(如果蠅)的胚胎階段所共有的另一個(gè)特征。另一個(gè)物種，C. perkinsii，被證明更像動(dòng)物，依靠開放有絲分裂。它的生命周期主要包括單核階段，每個(gè)細(xì)胞都有一個(gè)細(xì)胞核。
“我們的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個(gè)關(guān)鍵的推論，即動(dòng)物細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂的方式比動(dòng)物早進(jìn)化了數(shù)億年。因此，這項(xiàng)工作直接影響了我們對真核細(xì)胞分裂機(jī)制在不同生命周期背景下如何進(jìn)化和多樣化的總體理解，并提供了動(dòng)物起源之謎的關(guān)鍵部分，”Dey說。
這項(xiàng)研究結(jié)合了比較系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、電子顯微鏡(來自Schwab集團(tuán)和海德堡EMBL的電子顯微鏡核心設(shè)施(EMCF))和超微結(jié)構(gòu)擴(kuò)展顯微鏡的專業(yè)知識。超微結(jié)構(gòu)擴(kuò)展顯微鏡是一種將生物樣品嵌入透明凝膠并對其進(jìn)行物理擴(kuò)展的技術(shù)。此外，來自荷蘭格羅寧根大學(xué)的Eelco Tromer和來自克羅地亞薩格勒布的Iva Tolic分別提供了比較基因組學(xué)和有絲分裂紡體幾何和生物物理學(xué)方面的專業(yè)知識。
Shah說:“當(dāng)我們第一次看到一個(gè)擴(kuò)展的北極南極核時(shí)，我們就知道這項(xiàng)技術(shù)將改變我們研究非模式生物細(xì)胞生物學(xué)的方式。”Shah在Dudin實(shí)驗(yàn)室工作了一段時(shí)間后，把擴(kuò)展顯微鏡技術(shù)帶回了EMBL海德堡。
Dey對此表示贊同:“這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵突破是我們將超結(jié)構(gòu)擴(kuò)展顯微鏡(U-ExM)應(yīng)用于魚孢子蟲細(xì)胞骨架的分析。沒有U-ExM，免疫熒光和大多數(shù)染料標(biāo)記方案在這一研究不足的海洋全息動(dòng)物群體中不起作用。”
這項(xiàng)研究還表明，在試圖回答廣泛的生物學(xué)問題時(shí)，超越傳統(tǒng)模式生物研究的重要性，以及對魚孢子蟲系統(tǒng)的進(jìn)一步研究可能揭示的潛在見解。
“魚綱動(dòng)物的發(fā)育表現(xiàn)出顯著的多樣性，一方面，一些物種表現(xiàn)出與早期昆蟲胚胎相似的發(fā)育模式，具有多核階段和同步的細(xì)胞化。另一方面，C. perkinsii經(jīng)歷了卵裂分裂，對稱破壞，形成具有不同細(xì)胞類型的多細(xì)胞菌落，類似于早期動(dòng)物胚胎的“規(guī)范觀點(diǎn)”。這種多樣性不僅有助于理解動(dòng)物的路徑，而且為動(dòng)物以外的比較胚胎學(xué)提供了一個(gè)迷人的機(jī)會，這本身就是非常令人興奮的。”
該項(xiàng)目固有的跨學(xué)科性不僅為這種類型的合作研究提供了良好的試驗(yàn)臺，而且為EMBL提供的獨(dú)特博士后培訓(xùn)提供了良好的試驗(yàn)臺。“Hiral的項(xiàng)目很好地說明了EIPOD項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn):這是一個(gè)真正的跨學(xué)科項(xiàng)目，將創(chuàng)新生物學(xué)與先進(jìn)方法結(jié)合起來，所有這些都有助于真正引人注目的個(gè)人發(fā)展。我們(作為導(dǎo)師)見證了一位強(qiáng)大的科學(xué)家的誕生，這真的很有意義!”
Dey, Dudin和Schwab小組目前也在PlanExM項(xiàng)目上進(jìn)行合作，該項(xiàng)目是TREC探險(xiǎn)的一部分-這是一個(gè)由embp領(lǐng)導(dǎo)的探索和取樣歐洲沿海生物多樣性的倡議。PlanExM旨在應(yīng)用擴(kuò)展顯微鏡直接研究環(huán)境樣品中海洋原生生物的超微結(jié)構(gòu)多樣性。Dey說:“該項(xiàng)目源于U-ExM將成為原生生物學(xué)和海洋微生物學(xué)的游戲規(guī)則改變者的認(rèn)識。”通過這個(gè)項(xiàng)目，以及目前正在進(jìn)行的其他項(xiàng)目，研究小組希望進(jìn)一步闡明地球上生命的多樣性和基本生物過程的進(jìn)化。
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-5/20240522233236186.htm） | 
