細(xì)胞分裂是所有生命形式的關(guān)鍵過程，從細(xì)菌到藍(lán)鯨，它使物種得以生長、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)表了一項研究，調(diào)查了與真菌和動物密切相關(guān)的生物體中細(xì)胞分裂方法的進(jìn)化。這項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)動物細(xì)胞經(jīng)歷“開放”有絲分裂，當(dāng)細(xì)胞分裂開始時，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“閉合”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。
研究合作與方法
這個問題引起了海德堡EMBL Dey小組的科學(xué)家們的注意，他們研究了細(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)隊與洛桑瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的Omaya Dudin團(tuán)隊之間的討論產(chǎn)生了一個意想不到的答案。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)這三個小組的研究。Shah說:“我很早就認(rèn)識到，魚孢子目有許多細(xì)胞核，在動物和真菌之間具有關(guān)鍵的進(jìn)化地位，非常適合解決這個問題。很明顯，這需要匯集Dey、Dudin和Schwab團(tuán)隊的細(xì)胞生物學(xué)和技術(shù)專長，而這正是EIPOD獎學(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. arctic)傾向于閉合有絲分裂，類似于真菌。北極S. arctic也有一個多核階段的生命周期，其中許多核存在于同一個細(xì)胞中，這是許多真菌物種以及某些動物(如果蠅)的胚胎階段所共有的另一個特征。另一個物種，C. perkinsii，被證明更像動物，依靠開放有絲分裂。它的生命周期主要包括單核階段，每個細(xì)胞都有一個細(xì)胞核。
理解真核細(xì)胞分裂的意義
“我們的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一個關(guān)鍵的推論，即動物細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂的方式比動物早進(jìn)化了數(shù)億年。因此，這項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，并提供了動物起源之謎的關(guān)鍵部分，”Dey說。
這項研究結(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擴(kuò)展的北極S. arctic時，我們就知道這項技術(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實驗室工作了一段時間后，把擴(kuò)展顯微鏡技術(shù)帶回了EMBL海德堡。Dey對此表示贊同:“這項研究的一個關(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物群體中不起作用。”
這項研究還表明，在試圖回答廣泛的生物學(xué)問題時，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。“魚綱動物的發(fā)育表現(xiàn)出顯著的多樣性，”Dudin說。“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，類似于早期動物胚胎的規(guī)范觀點。這種多樣性不僅有助于理解動物的路徑，而且為動物以外的比較胚胎學(xué)提供了一個迷人的機(jī)會，這本身就是非常令人興奮的。”
該項目固有的跨學(xué)科性不僅為這種類型的合作研究提供了良好的試驗臺，而且為EMBL提供的獨特博士后培訓(xùn)提供了良好的試驗臺。Schwab說:“Hiral的項目很好地說明了EIPOD項目的優(yōu)點:這是一個真正的跨學(xué)科項目，將創(chuàng)新的生物學(xué)與先進(jìn)的方法結(jié)合起來，所有這些都有助于真正引人注目的個人發(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項目上進(jìn)行合作，該項目是TREC探險的一部分-這是一個由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:“我們意識到，U-ExM將改變原生生物學(xué)和海洋微生物學(xué)的游戲規(guī)則，因此該項目得以開展。”通過這個項目，以及目前正在進(jìn)行的其他項目，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。
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.
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2024-6/20240613064416189.htm）
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