細胞分裂,竟承擔「排毒」的作用?MIT 新發現或為癌症 / 痴呆治療帶來啟發

細胞協調生物合成和分解代謝途徑的活動,以及成分的吸收和分泌,以維持適當的分子組成。在持續增殖的細胞中,這些過程是協調的,使得所有細胞成分在每個細胞週期中翻倍,而分化細胞可能會改變其組成,以匹配其功能。

麻省理工學院(MIT)的研究人員注意到,細胞在進入細胞分裂時,會損失大約 4% 的質量,這意味著細胞在分裂前可能會進行一些清理,將似乎不再需要的分子排出體外。這一發現以 Single-cell monitoring of dry mass and dry mass density reveals exocytosis of cellular dry contents in mitosis 為題發表在近日的 Elife 上。

圖 1 研究成果(圖源:Elife

研究內容

為了更好地了解有絲分裂細胞的生長和成分變化,研究人員開發了一種監測單細胞幹質量(即總質量 – 水質量)、幹體積(即總體積 – 水體積)和幹質量密度(即幹質量 / 幹體積)的新方法。

測量細胞的幹質量,通常使用定量相顯微鏡完成,但它不會揭示有關幹質量的生物分子組成的資訊,並且很難用於懸浮生長的細胞。而 MIT 團隊開發的新方法可以計算幹質量密度,以及提供更高的時間解析度,這可用於揭示細胞有絲分裂期間的動力學。

在 2019 年的一篇論文中,該團隊的研究人員 Miettinen 和 Manalis 發現,隨著有絲分裂的開始,細胞浮力質量略有增加。使用定量相顯微鏡的其他研究表明,細胞可能在細胞分裂早期保留或失去幹質量。

在這項新研究中,麻省理工學院的研究小組測量了三種類型的癌細胞,因為它們比健康細胞分裂得更頻繁,更容易用於研究。他們發現細胞在進入細胞分裂時損失了大約 4% 的質量。研究人員認為,這種清空垃圾有助於細胞給後代一個「新的開始」,沒有親本細胞積累的垃圾。

一、有絲分裂早期細胞暫時失去幹質量並增加幹質量密度

研究人員基於細胞的聲波散射檢測到有絲分裂階段,報告了有絲分裂早期和中後期轉變。並觀察到許多 L1210 細胞在有絲分裂早期失去了幹質量,幹質量密度增加。但這些變化是短暫的,細胞在有絲分裂中後期時恢復了失去的幹質量,並降低了幹質量密度。中後期的幹質量恢復比有絲分裂早期觀察到的幹質量增長更快,這表明這種恢復生長不同於正常的細胞生長。

此外,L1210 癌細胞在有絲分裂早期幹質量和幹質量密度的變化並不是一致的。在所有被測量的 L1210 細胞中,大約 7% 在早期有絲分裂中乾重密度幾乎沒有增加。還觀察到母細胞在其幹質量和幹質量密度中顯示有絲分裂變化,而子細胞沒有,反之亦然,表明在有絲分裂細胞質量和組成的調節中,細胞間存在很大程度的非遺傳可變性。

圖 2 細胞在有絲分裂早期瞬間失去幹質量並增加幹質量密度(圖源:Elife

二、有絲分裂幹質量和幹質量密度的變化不需要形態變化

有絲分裂細胞經歷的一個主要形態變化是有絲分裂細胞腫脹,細胞吸收水分並可使其總體積增加,這與幹質量的變化同時發生,即細胞從前期到中期膨脹,後期恢復。

為了研究幹質量和幹質量密度變化是否需要有絲分裂細胞膨脹,研究人員使用 Na+/H+ 交換抑制劑——5-(N-乙基-N-異丙基)-阿米洛利(EIPA)抑制有絲分裂膨脹。當在 EIPA 存在的情況下,與對照細胞相比,有絲分裂早期 L1210 細胞的幹質量和幹質量密度時沒有觀察到任何變化。因此,有絲分裂的幹質量和幹質量密度的變化不需要細胞形態學的改變

圖 3 有絲分裂幹質量損失和幹質量密度增加不需要細胞形態改變(圖源:Elife

三、有絲分裂早期溶酶體胞吐增加

在評估有絲分裂幹物質丟失的可能機制時,研究者們首先考慮有絲分裂中幹質量損失的程度,在極端情況下約為 8%。大分子最有可能是質量損失的形式,因為它們構成了細胞的大部分幹質量。因此,研究人員將重點放在大分子的分泌機制上。

假設早期有絲分裂中幹物質的損失是由溶酶體等成分的胞吐增加所致。通過在自由增殖的 L1210 細胞中對細胞表面溶酶體膜蛋白 LAMP-1 進行免疫標記,顯微鏡定量顯示 LAMP-1 的數量從有絲分裂早期到後期增加,表明 LAMP-1 在整個早期有絲分裂過程中積累。

為了進一步支持溶酶體胞吐在早期有絲分裂中增加的觀察,研究人員分別使用 RO-3306(CDK1 抑制劑)和 STLC 將 L1210 細胞同步到 G2 期和有絲分裂早期。STLC 在有絲分裂的幹物質變化發生的前中期阻滯細胞。然後他們對細胞表面 LAMP-1 進行免疫標記,並用流式細胞儀進行定量分析,發現被阻滯到早期有絲分裂的細胞表面的 LAMP-1 水平高於被阻滯在 G2 的細胞。

此外,研究人員還檢測了細胞週期與 G2 或早期有絲分裂同步後,BaF3 和 THP-1 細胞表面的 LAMP-1 免疫標記。在兩個細胞系中,有絲分裂早期的 LAMP-1 標記量高於 G2。這些結果表明,在有絲分裂早期溶酶體的胞外分泌增加

圖 4 有絲分裂早期溶酶體胞吐增加(圖源:Elife

四、

抑制

溶酶體胞吐會減少有絲分裂幹質量損失和幹質量密度增加

研究人員們研究了抑制溶酶體胞吐是否阻止了有絲分裂中發生的幹質量和幹質量密度的變化。

首先,他們驗證了溶酶體胞吐可被 brefeldin A 和 vacuolin-1 抑制。隨後,監測了 L1210 細胞在 brefeldin A 或 vacuolin-1 存在下的幹質量和幹質量密度變化,結果顯示這兩種化學物質沒有阻止細胞分裂,但都減少了有絲分裂過程中細胞幹質量和幹質量密度的變化

圖 5 溶酶體胞吐抑制物減少有絲分裂幹物質的分泌(圖源:Elife

總結

在這項研究中,研究人員發現,當進入細胞分裂週期時,細胞的幹質量會減少,在分裂完成之前又會重新獲得。進一步的實驗表明,當細胞進入有絲分裂時,溶酶體胞吐作用的過程的活性會增加。此外,隨著細胞幹質量的減少,細胞的幹質量密度增加,因此研究人員認為細胞正在失去低密度分子,如脂質或脂蛋白。

本研究的主要作者、麻省理工學院的 Teemu Miettinen 表示:「我們的假設是,細胞可能會扔掉有毒成分或是功能異常的物質。它可以讓新生細胞出生時具有更多的功能性內容。」

研究人員推測,他們的發現可能有助於解釋為什麼不分裂的神經元更有可能積累有毒蛋白質,如 Tau 或澱粉樣蛋白,這些與阿爾茨海默病的發展有關。這一發現也可能與癌症有關:癌細胞可以利用胞吐作用排出一些化療藥物,幫助它們對藥物產生耐藥性。理論上,在細胞分裂前阻止胞吐作用的發生有助於使癌細胞更容易受到這類藥物的影響。

Miettinen 說:「有些疾病,比如神經退行性疾病,我們可能需要上調胞吐作用,但有些疾病,比如癌症,我們可能需要降低它的水平。在未來,如果我們能更好地理解這背後的分子機制,並找到一種方法,在有絲分裂之外觸發它或在有絲分裂期間阻止它,我們可以真正實現在治療疾病時使用一個新的開關。」

題圖來源:站酷海洛

參考文獻:

Teemu P Miettinen, Kevin S Ly, Alice Lam, Scott R Manalis. Single-cell monitoring of dry mass and dry mass density reveals exocytosis of cellular dry contents in mitosis. eLife, 2022; 11 DOI: 10.7554/eLife.7666

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