用缩时观察摄影解开胚胎细胞分裂之谜

2024/04/24 用缩时观察摄影解开胚胎细胞分裂之谜 钟卷研究室分子细胞工程研究室

显示鳉胚胎最初细胞分裂中有丝分裂纺锤体的缩时观察视频的静止图像。 《穿越时空》视频提供:清光爱( OIST )。 ran-GTP assembles a specialized spindle structure for accurate chromosome segregation in medaka early embryos Ai Kiyomitsu、Toshiya Nishimura、Satoshi Ansai、Masato T. Kanemaki、Minoru Tanaka & Tomomi Kiyomitsu Nature Communications (2024 ) 15，981 doi:10.1038/s 41467-024-45251-w 鳉鱼、CRISPR和最新的成像技术为生命早期细胞分裂的研究建立了新的标准。 生命的诞生笼罩在谜团中。 有丝分裂的复杂动态在所谓的体细胞(像皮肤细胞和肌肉细胞这样具有特殊功能的细胞)中得到了很好的研究，但关于我们身体的第一个细胞——胚细胞，至今还不清楚。 众所周知，脊椎动物中胚胎有丝分裂的研究很困难。 这是因为实时成像的功能分析在技术上有限，很难追踪胚胎形成中的细胞。 最近，冲绳科学技术大学院大学( OIST )的细胞分裂动态单元的研究小组与名古屋大学(现北海道大学)的西村俊哉助教、名古屋大学的田中实教授、东北大学(现京都大学)的安斋贤特定副教授、国立遗传学研究所的钟卷将人教授等一起，参加了学术杂志《自然》 本研究是通过新的成像技术、CRISPR/Cas9基因组编辑技术、最新的蛋白质敲除系统，以及利用灰斑鳉作为模型生物，为阐明胚有丝分裂的第一个重要内容 研究小组制作的缩时观察有助于从根本上理解胚胎中染色体均匀分布的复杂过程，同时也是科学探索的下一个前沿。 本研究的责任作者、清光智美副教授，对拉普拉斯是这样说的。 “虽然缩时眼的图像本身也很美，但是为解释胚胎有丝分裂奠定了新的基础，这一点也值得评价。 ” 胚胎有丝分裂的主要谜团在于保存细胞所有遗传信息的染色体对齐并均匀分布于女儿细胞这一重要步骤。 掌握这个过程的关键是有丝分裂的纺锤体。 纺锤体由微管(用于细胞内结构形成和运输的长蛋白质纤维)组成，从纺锤体的两极呈放射状延伸，在中央粘接在染色体上。 纺锤体会恰当地捕捉复制的染色体，在分裂时均匀地分配给女儿细胞。 决定纺锤体形成的因素有很多，其中之一是一种叫做Ran-GTP的蛋白质。 Ran-GTP在没有中心体(负责组装微管的细胞器)的女性生殖细胞的分裂中起着必须的作用，但在有中心体的小型体细胞中不是必须的。 但是，很久以来就不清楚Ran-GTP是否是脊椎动物初期胚的纺锤体形成所必需的。 脊椎动物的初期胚有中心体，但具有细胞大小大等特点。 与哺乳类的初期胚相反，鱼类的胚细胞透明，在均匀的单细胞层同时分裂，进行发生，因此极其容易观察。 研究表明，蓝鳍鳉能够适应的温度范围广，每天下蛋，具有比较小的基因组，因此是特别适合研究的鱼。 对温度的耐受性意味着，水斑鳉的胚胎细胞在室温下也能生存，特别适合长时间存活的缩时摄影。 鳉频繁产卵，基因组大小比较小，因此适合使用CRISPR/Cas9进行基因组编辑。 利用该基因组编辑的技术，制造出了将实际参与胚的有丝分裂的特定蛋白质的动态可视化的转基因鳉。

图:(左)抱着蛋的鳉鱼。 (右)论文的笔头作者、细胞分裂动态单元的清光爱博士，作为使用CRISPR/Cas9的基因组编辑过程的一环，向鳉胚胎注入RNA的情况。 图片提供:清光智美( OIST ) 在转基因鳉的胚胎中，对分裂中的有丝分裂纺锤体进行了时空观察，发现大的初始胚胎组装了与体细胞纺锤体不同的独特纺锤体。 另外，在初期胚的分裂中，Ran-GTP对纺锤体的形成起决定性作用，但在后期胚中并不重要。 这可能是因为在发生过程中细胞变小，纺锤体结构被重塑，但确切的原因还需要进一步的研究。 研究小组还发现，初期胚细胞中不存在染色体在分离前正确对齐时的纺锤体检查点，这在大多数体细胞中具有特征。 清光副教授说:“尽管没有激活检查点，但染色体的分离是非常正确的。 这可能可以用胚胎细胞需要非常快分裂来解释，但还需要进一步的研究。” 鳉的基因改造和初期胚的研究导致了关于胚性有丝分裂的新见解，但对清光副教授和研究小组来说，这仅仅是个开始。 除了后期阶段Ran-GTP的作用减少、纺锤体形成检查点的缺失等相关疑问外，清光副教授还指出了细胞分裂对称性在缩时观察中的有趣之处。 “纺锤体的形成以高度对称性为特征。 细胞看起来大小相等，且在规则的方向分裂，纺锤体始终位于细胞的中心。 纺锤体如何有规律地定向，如何每次都能找到细胞的中心呢？ ” 除了飞虎鱼，研究小组还希望增加作为胚胎细胞研究模型的转基因鳉种类，在进一步巩固这个新基础的同时，优化基因组编辑流程。 最终，我们希望通过研究其他生物中的胚胎有丝分裂，验证此次发现是否具有普遍性，并在下一阶段通过探索纺锤体形成和胚胎分裂的演化，更好地了解人类胚胎发育，为人类不孕症的诊治方法的开发做出贡献。 清光副教授总结说:“通过这篇论文，奠定了切实的基础。” “与此同时，还开辟了新的前沿。 胚性有丝分裂美丽、神秘，值得研究。 希望通过我们的研究，能稍微接近对生命开始的复杂过程的理解。 ”

参与本研究的三人。 在装有转基因鳉的水槽前。 (从左向右) OIST的清光爱博士、京都大学(原东北大学)的安斋贤特定副教授、OIST的清光智美副教授。 图片提供:清光智美( OIST ) 通过缩时观察摄影解开胚胎细胞分裂之谜( YouTube ※有声音) 研究早期胚胎的细胞分裂的困难众所周知。 但是，多亏了使用CRISP/Cas-9的基因组编辑、鳉鱼和新的成像技术，可以进行缩时拍摄。 OIST细胞分裂动态单元的清光智美副教授，解说这个新技术和它如何有助于理解生命初期阶段的细胞分裂。