細(xì)胞分裂是所有生命形式的關(guān)鍵過(guò)程，從細(xì)菌到藍(lán)鯨，它使物種得以生長(zhǎng)、繁殖和延續(xù)。盡管具有普遍的性質(zhì)，細(xì)胞分裂的方法在不同的生物體中卻有很大的不同。EMBL海德堡大學(xué)的Dey小組和他們的合作者最近在《Nature》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，調(diào)查了與真菌和動(dòng)物密切相關(guān)的生物體中細(xì)胞分裂方法的進(jìn)化。這項(xiàng)研究首次證明了生物體的生命周期與其細(xì)胞分裂技術(shù)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?cè)谠S多方面都很相似。兩者都屬于一個(gè)更廣泛的群體，稱(chēng)為“真核生物”，這種生物的細(xì)胞將遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存在一個(gè)被稱(chēng)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(guò)程方面有所不同，包括最常見(jiàn)的細(xì)胞分裂類(lèi)型-有絲分裂。
大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞經(jīng)歷“開(kāi)放”有絲分裂，當(dāng)細(xì)胞分裂開(kāi)始時(shí)，核膜——將細(xì)胞核與細(xì)胞其他部分分開(kāi)的兩層膜——會(huì)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(chēng)為“閉合”有絲分裂-在分裂過(guò)程中核膜保持完整。然而，對(duì)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。
研究合作與方法
這個(gè)問(wèn)題引起了海德堡EMBL Dey小組的科學(xué)家們的注意，他們研究了細(xì)胞核和細(xì)胞分裂的進(jìn)化起源。“通過(guò)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(kāi)始問(wèn)是否存在普遍的規(guī)則，這些規(guī)則是這些基本生物過(guò)程如何運(yùn)作的基礎(chǔ)，”海德堡EMBL小組組長(zhǎng)Gautam Dey說(shuō)。
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(yú)孢子蟲(chóng)的專(zhuān)家。魚(yú)孢子蟲(chóng)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(yú)孢子蟲(chóng)為模型，探索開(kāi)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(lèi)的魚(yú)孢子蟲(chóng)進(jìn)行閉合有絲分裂，而其他種類(lèi)的魚(yú)孢子蟲(chóng)進(jìn)行開(kāi)放有絲分裂。因此，通過(guò)比較和對(duì)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。Shah說(shuō):“我很早就認(rèn)識(shí)到，魚(yú)孢子目有許多細(xì)胞核，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(wèn)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(zhuān)長(zhǎng)，而這正是EIPOD獎(jiǎng)學(xué)金讓我做的。”
在仔細(xì)研究了兩種魚(yú)孢子蟲(chóng)的細(xì)胞分裂機(jī)制后，研究人員發(fā)現(xiàn)，其中一種魚(yú)孢子蟲(chóng)(S. arctic)傾向于閉合有絲分裂，類(lèi)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(kāi)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。
理解真核細(xì)胞分裂的意義
“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(duì)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(shuō)。
這項(xiàng)研究結(jié)合了比較系統(tǒng)發(fā)育學(xué)、電子顯微鏡和超微結(jié)構(gòu)擴(kuò)展顯微鏡的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。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(duì)其進(jìn)行物理擴(kuò)展的技術(shù)。此外，來(lái)自荷蘭格羅寧根大學(xué)的Eelco Tromer和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(zhuān)業(yè)知識(shí)。
Shah說(shuō):“當(dāng)我們第一次看到一個(gè)擴(kuò)展的北極S. arctic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(duì)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(yú)孢子蟲(chóng)細(xì)胞骨架的分析。沒(méi)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(wèn)題時(shí)，超越傳統(tǒng)模式生物研究的重要性，以及對(duì)魚(yú)孢子蟲(chóng)系統(tǒng)的進(jìn)一步研究可能揭示的潛在見(jiàn)解。“魚(yú)綱動(dòng)物的發(fā)育表現(xiàn)出顯著的多樣性，”Dudin說(shuō)。“一方面，一些物種表現(xiàn)出與早期昆蟲(chóng)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(duì)稱(chēng)破壞，形成具有不同細(xì)胞類(lèi)型的多細(xì)胞菌落，類(lèi)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(huì)，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(lèi)型的合作研究提供了良好的試驗(yàn)臺(tái)，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(tái)。Schwab說(shuō):“Hiral的項(xiàng)目很好地說(shuō)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)新的生物學(xué)與先進(jìn)的方法結(jié)合起來(lái)，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(jiàn)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(shuō):“我們意識(shí)到，U-ExM將改變?cè)飳W(xué)和海洋微生物學(xué)的游戲規(guī)則，因此該項(xiàng)目得以開(kāi)展。”通過(guò)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(guò)程的進(jìn)化。
參考文獻(xiàn):“Life-cycle-coupled evolution of mitosis in close relatives of animals” by Hiral Shah, Marine Olivetta, Chandni Bhickta, Paolo Ronchi, Monika Trupini?, Eelco C. Tromer, Iva M. Toli?, Yannick Schwab, Omaya Dudin and Gautam Dey, 22 May 2024, Nature.
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240613064416189.htm）
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