有丝分裂的记忆检测细胞分裂过程中缺陷的分子机制可能有助于癌症治疗

每一天，我们的细胞都在努力繁殖。细胞分裂是一个精确的过程，但有时这个过程受到损害，就会发生癌症等疾病。有丝分裂是细胞周期中最重要的阶段之一。在此阶段，细胞的DNA分裂成两组相等的染色体，并分裂成两个遗传上相同的子细胞。

冲绳科学技术研究所(OIST)细胞增殖和基因编辑部门负责人FranzMeitinger教授、该部门研究员HazratBelal博士以及他们在加州大学圣地亚哥分校的合作者，发现了一种通过测量有丝分裂持续时间来防止潜在危险细胞增殖的分子机制。

他们在《科学》杂志上发表的论文中表明，这种机制——有丝分裂秒表复合体——随着细胞分裂的时间而变得更强，导致异常细胞被清除以保护有机体。

有丝分裂秒表复合体

通常情况下，当细胞分裂时，它会精确复制其染色体(含有携带遗传信息的DNA的线状结构)，并且每个新的子细胞都会收到一个完美的副本。然而，有时一个细胞可能会获得太多染色体，而另一个细胞可能会获得足够的染色体，这种现象称为“染色体错误分离”。

有丝分裂通常需要大约30分钟才能完成，但当细胞出现缺陷时，它们需要更多时间来组织染色体并将其分离到子细胞中。这种延迟导致了研究人员所谓的有丝分裂秒表——当细胞经历不寻常的、长时间的有丝分裂时形成的复合体。

“这种复合物不会在正常有丝分裂过程中形成，只有在需要更长的时间时才会形成。细胞中的缺陷不会被细胞直接识别，但细胞可以测量它们在有丝分裂中花费的时间，并利用这些信息了解有丝分裂的发生情况，”梅廷格教授解释道。“我们想了解分子机制如何保护有机体免受癌症发展。”

有丝分裂开始后30分钟，复合物开始形成，细胞退出延长的有丝分裂后，它在新的子细胞中变得活跃。这种激活会触发其他因素，从而永久阻止或杀死细胞。

“你有一个积累的信号，当有丝分裂足够长时，它可以立即诱导细胞停滞或细胞死亡，但如果你有适度延长的有丝分裂，你就会部分激活该途径，因此细胞仍然可以继续分裂，但如果细胞再次进行适度延长的有丝分裂，它就会停止，”贝拉尔博士说。

研究人员知道延长有丝分裂和细胞停滞之间存在联系，但不知道细胞如何“感知”延长有丝分裂以导致细胞停滞。这项研究阐明了这是如何运作的。

有丝分裂秒表复合物由三种蛋白质组成：p53结合蛋白1、USP28和p53蛋白本身。这些蛋白质仅在异常较长的有丝分裂(超过30分钟)期间相互作用。在这种延长的有丝分裂过程中，形成越来越多的复合体。形成的越复杂，结果就越强烈——这可能是细胞停滞或细胞死亡，具体取决于细胞类型。

p53蛋白被称为肿瘤抑制因子，可以阻止潜在受损细胞的生长并防止其增殖。科学家们发现，一种名为PLK1(激酶)的酶负责触发复合物的形成。PLK1在正常有丝分裂期间活跃，但由于未知原因仅在长时间有丝分裂期间诱导复合物形成。

当复合物形成时，它可以稳定并激活肿瘤抑制因子p53，然后p53可以充当转录因子(关闭和打开基因的蛋白质，确保它们在正确的时间在正确的细胞中正确表达)。这一发现为了解这些蛋白质在延长有丝分裂过程中的作用及其在清除可能导致癌症的潜在危险细胞中的作用提供了新的见解。

“当产生的一点点复合物不足以阻止细胞时，复合物即使在孙女细胞中也能保持稳定并积累。孙女细胞可以记住祖母细胞中适度延长的有丝分裂状态，”教授说。梅廷格说道。

虽然我们体内的每个细胞都有可能出现有丝分裂延迟，但在正常细胞中并不常见。有丝分裂延迟更有可能发生在受损细胞中，有丝分裂秒表很可能充当去除这些细胞的监视机制。在癌细胞中，通常存在更长且有缺陷的有丝分裂：在这些细胞中，该途径通常不活跃，因为它已经突变为有缺陷的有丝分裂以驱动癌症发展。

细胞的命运

为了监测这些细胞通路，研究人员使用活细胞成像，包括在显微镜下观察细胞三天。他们通过引入有丝分裂抑制剂暂时延长了有丝分裂阶段。几个小时后，细胞进入延长有丝分裂的状态，有效地“停留”在这个阶段。然后他们去除抑制剂，让细胞继续分裂。

在接下来的三天里，观察细胞以确定它们的命运——它们是继续分裂、停滞还是死亡。这种方法使研究人员能够展示细胞如何检测延长的有丝分裂并随后启动细胞停滞或死亡。

贝拉尔博士指出，实验中最具挑战性的部分是跟踪细胞，因为它们移动很多，有时会在显微镜下脱离框架。每个实验都需要分析至少160个单独的细胞，并且必须进行许多实验来确定有丝分裂秒表的机制及其在正常细胞和癌细胞类型中的功能。每个细胞都必须单独分析。这个细致的过程使科学家们能够充分了解细胞在不同情况下如何对延长的有丝分裂做出反应。

科学家们使用一种名为CRISPR-Cas9的技术来关闭某些基因，然后研究其对p53蛋白的影响。他们发现一些基因突变可以阻止蛋白质正常工作。为了更好地理解这一点，他们现在正在研究形成有丝分裂秒表复合物的蛋白质，以了解它们在不同条件下如何相互作用。

有丝分裂秒表的鉴定具有潜在的临床应用。一些癌症维持着活跃的有丝分裂秒表，这使得它们对抗有丝分裂药物敏感，而抗有丝分裂药物通过靶向细胞分裂在癌症治疗中发挥重要作用。这些药物目前正在临床使用或开发中。

“如果我们能够确定个体癌症中有丝分裂秒表的活动，我们也许能够预测这些癌症对抗有丝分裂药物治疗的反应，”梅廷格教授说。研究人员希望他们的发现最终有助于治疗某些癌症。