細胞分裂是所有生命形式的關鍵過程，從細菌到藍鯨，它使物種得以生長、繁殖和延續。盡管具有普遍的性質，細胞分裂的方法在不同的生物體中卻有很大的不同。EMBL海德堡大學的Dey小組和他們的合作者最近在《Nature》雜志上發表了一項研究，調查了與真菌和動物密切相關的生物體中細胞分裂方法的進化。這項研究首次證明了生物體的生命周期與其細胞分裂技術之間的聯系。

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”，這種生物的細胞將遺傳物質儲存在一個被稱為“細胞核”的封閉隔間中。然而，兩者在如何進行許多生理過程方面有所不同，包括最常見的細胞分裂類型-有絲分裂。

大多數動物細胞經歷“開放”有絲分裂，當細胞分裂開始時，核膜——將細胞核與細胞其他部分分開的兩層膜——會破裂。然而，大多數真菌使用一種不同形式的細胞分裂-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胞分裂模式為何或如何進化，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小組的科學家們的注意，他們研究了細胞核和細胞分裂的進化起源。“通過研究生物體的多樣性和重建事物的進化方式，我們可以開始問是否存在普遍的規則，這些規則是這些基本生物過程如何運作的基礎，”海德堡EMBL小組組長Gautam Dey說。

2020年，在COVID-19封鎖期間，Dey的團隊與洛桑瑞士聯邦理工學院(EPFL)的Omaya Dudin團隊之間的討論產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系，在進化家譜上，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，研究人員發現某些種類的魚孢子蟲進行閉合有絲分裂，而其他種類的魚孢子蟲進行開放有絲分裂。因此，通過比較和對比它們的生物學特性，他們可以深入了解生物體如何適應和使用這兩種細胞分裂模式。

Hiral Shah是EIPOD的研究員，負責這三個小組的研究。Shah說:“我很早就認識到，魚孢子目有許多細胞核，在動物和真菌之間具有關鍵的進化地位，非常適合解決這個問題。很明顯，這需要匯集Dey、Dudin和Schwab團隊的細胞生物學和技術專長，而這正是EIPOD獎學金讓我做的。”

在仔細研究了兩種魚孢子蟲的細胞分裂機制后，研究人員發現，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，每個細胞都有一個細胞核。

理解真核細胞分裂的意義

“我們的發現導致了一個關鍵的推論，即動物細胞進行有絲分裂的方式比動物早進化了數億年。因此，這項工作直接影響了我們對真核細胞分裂機制在不同生命周期背景下如何進化和多樣化的總體理解，并提供了動物起源之謎的關鍵部分，”Dey說。

這項研究結合了比較系統發育學、電子顯微鏡和超微結構擴展顯微鏡的專業知識。超微結構擴展顯微鏡是一種將生物樣品嵌入透明凝膠并對其進行物理擴展的技術。此外，來自荷蘭格羅寧根大學的Eelco Tromer和Iva Tolic分別提供了比較基因組學和有絲分裂紡體幾何和生物物理學方面的專業知識。

Shah說:“當我們第一次看到一個擴展的北極S. arctic時，我們就知道這項技術將改變我們研究非模式生物細胞生物學的方式。”Shah在Dudin實驗室工作了一段時間后，把擴展顯微鏡技術帶回了EMBL海德堡。Dey對此表示贊同:“這項研究的一個關鍵突破是我們將超結構擴展顯微鏡(U-ExM)應用于魚孢子蟲細胞骨架的分析。沒有U-ExM，免疫熒光和大多數染料標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問題時，超越傳統模式生物研究的重要性，以及對魚孢子蟲系統的進一步研究可能揭示的潛在見解。“魚綱動物的發育表現出顯著的多樣性，”Dudin說。“一方面，一些物種表現出與早期昆蟲胚胎相似的發育模式，具有多核階段和同步的細胞化。另一方面，C. perkinsii經歷了卵裂分裂，對稱破壞，形成具有不同細胞類型的多細胞菌落，類似于早期動物胚胎的規范觀點。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提供了一個迷人的機會，這本身就是非常令人興奮的。”

該項目固有的跨學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項目的優點:這是一個真正的跨學科項目，將創新的生物學與先進的方法結合起來，所有這些都有助于真正引人注目的個人發展。我們(作為導師)見證了一位強大的科學家的誕生，這真的很有意義!”

Dey, Dudin和Schwab小組目前也在PlanExM項目上進行合作，該項目是TREC探險的一部分-這是一個由embp領導的探索和取樣歐洲沿海生物多樣性的倡議。PlanExM旨在應用擴展顯微鏡直接研究環境樣品中海洋原生生物的超微結構多樣性。Dey說:“我們意識到，U-ExM將改變原生生物學和海洋微生物學的游戲規則，因此該項目得以開展。”通過這個項目，以及目前正在進行的其他項目，研究小組希望進一步闡明地球上生命的多樣性和基本生物過程的進化。

參考文獻:“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）