有絲分裂取向的生物力學(xué)進(jìn)展

陳泰霖，杜婧

（北京航空航天大學(xué) 生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100083）

在胚胎或者成體中，細(xì)胞有絲分裂的方向需受到精確的調(diào)控。大量研究表明，有絲分裂的方向?qū)ε咛グl(fā)育、組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞命運起著重要的作用。有絲分裂方向的錯誤，會導(dǎo)致畸形發(fā)育和腫瘤的發(fā)生［1-4］。大多數(shù)關(guān)于細(xì)胞分裂方向的研究都集中在分子機制［5-6］。然而，最近越來越多的研究工作表明，外在的力學(xué)因素也能指導(dǎo)有絲分裂的取向［7-9］。本文著重綜述力學(xué)因素對有絲分裂取向的調(diào)控。

早期發(fā)現(xiàn)力學(xué)可以調(diào)控有絲分裂取向，是將單細(xì)胞粘合在不同的微圖案［10-12］。不同的微圖案，細(xì)胞會表現(xiàn)出不同的形狀，有絲分裂方向與細(xì)胞形狀的長軸對齊。為了驗證外部機械力能更直接地控制有絲分裂的方向，F(xiàn)INK 等［10］對海拉（HeLa）細(xì)胞施加單軸拉伸，細(xì)胞的分裂方向和拉伸的方向?qū)R，同樣地在角質(zhì)細(xì)胞中也存在類似現(xiàn)象［13］。和拉伸對應(yīng)的是擠壓，CHEN 等［14］在培養(yǎng)的HeLa 克隆團中發(fā)現(xiàn)，位于克隆團內(nèi)部的細(xì)胞受到的擠壓較大，細(xì)胞的分裂方向垂直于擠壓的方向。剪切應(yīng)力也對有絲分裂取向起著指導(dǎo)作用，如血流對血管內(nèi)皮細(xì)胞施加剪切力，有絲分裂軸的方向和剪切力垂直［15］。

在分裂間期的時候，細(xì)胞會變圓，那么分裂前的力和形狀信息是如何傳遞給有絲分裂主軸的。FINK 等發(fā)現(xiàn)回縮纖維在其中起著重要的作用［10］?；乜s纖維是充滿肌動蛋白絲的膜管，它們作為錨將有絲分裂細(xì)胞連接到細(xì)胞外基質(zhì)上。細(xì)胞分裂變圓，F(xiàn)INK 等通過激光燒蝕切割與紡錘體兩端相鄰的回縮纖維。在十字形圖案上，主軸旋轉(zhuǎn)并與剩余的牽引纖維所決定的垂直軸對齊。相反，在條形圖案上，沒有保留任何牽引纖維，沒有觀察到明顯的主軸重新定向［10］。但是近來有研究發(fā)現(xiàn)，不需要固定的線索或間期形狀的物理記憶（回縮纖維），在有絲分裂細(xì)胞圓化過程，染色質(zhì)足以將間期形狀轉(zhuǎn)化為主軸可以讀取的信息，然后引導(dǎo)細(xì)胞分裂的軸。盡管上述內(nèi)在調(diào)控足以定位紡錘體，但是引入外力仍然很容易影響紡錘體的方向［16］。

除了細(xì)胞實驗，在生物組織的實驗中，力學(xué)同樣對有絲分裂取向起著重要作用。胚胎發(fā)育過程中，需要嚴(yán)格控制有絲分裂的方向，從而調(diào)節(jié)組織的形狀。在斑馬魚胚胎外包運動，包被層（enveloping layer,EVL）細(xì)胞會沿著動-植物軸的方向分裂，分裂方向和外包的方向一致［17］。CAMPINHO 等［18］發(fā)現(xiàn)動-植物軸方向的張力比圓周軸的方向要大，細(xì)胞分裂方向沿著張力大的方向。在果蠅翼盤生長過程中發(fā)現(xiàn)，翼盤外圍周向拉伸最大，細(xì)胞分裂方向也是沿著周向［19-20］。在雞胚毛囊發(fā)育過程中，真皮凝結(jié)的中央受到的擠壓最大，表皮的分裂方向是垂直于擠壓方向［14］。

力學(xué)指導(dǎo)有絲分裂取向，有著重要的生理功能，例如為了保證上皮細(xì)胞平面分裂，細(xì)胞間側(cè)向粘附蛋白上皮型鈣黏附蛋白（E-cadherin）招募LGN/NuMA 復(fù)合物，從而連接動力蛋白對微管施加拉力，使得紡錘體沿著組織平面取向［21-23］。相反受擠壓的雞胚表皮細(xì)胞，會在垂直于擠壓方向分裂，發(fā)育成多層表皮細(xì)胞，為后續(xù)毛囊的發(fā)育打好結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)［14］。

力學(xué)對有絲分裂取向的調(diào)控，和細(xì)胞的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。研究者OSCAR HERTWIG 提出了一個細(xì)胞形狀決定細(xì)胞分裂軸的原則，紡錘體的軸線位于細(xì)胞的最長軸線上，因此分裂傾向于橫向切割這一軸線［24］。后續(xù)研究［25-26］也證實了這一點。早期的胚胎中，細(xì)胞幾何似乎對決定細(xì)胞分裂面的位置特別重要［27-28］。然而，在發(fā)育后期，當(dāng)細(xì)胞形成極性，細(xì)胞的幾何形狀變得不那么重要，這時候分裂的取向是由粘附性連接和細(xì)胞骨架極性所決定的［29-31］。

但細(xì)胞分裂取向也不是完全遵循張力軸/長軸方向。在高度伸長的細(xì)胞中，細(xì)胞分裂方向主要由細(xì)胞的張力軸決定［32-34］。在具有中等各向異性的細(xì)胞中，有可能出現(xiàn)不同的情況：在不成熟的上皮細(xì)胞或犬腎上皮細(xì)胞（madin-darby canine kidney,MDCK）層中，有絲分裂的取向與細(xì)胞張力無關(guān)；在成熟的上皮細(xì)胞中，有絲分裂取向與局部張力軸一致［32-34］。

在力學(xué)調(diào)控有絲分裂取向的過程中，涉及到多個分子結(jié)構(gòu)。其中肌動蛋白和肌球蛋白在將紡錘體與外力聯(lián)系起來方面具有重要作用。皮層下肌動蛋白在有絲分裂過程中，靠近回縮纖維，且集中在分布不均的牽拉纖維上，還可以通過對星形微管施加拉力來幫助對齊紡錘體［10］。KELKAR等［35］通過光遺傳學(xué)的方法，用RhoA 蛋白激活引起的皮質(zhì)張力的局部突然增加，減少了皮質(zhì)對星狀微管的拉力，導(dǎo)致施加在紡錘體上的扭矩平衡被擾亂，從而使其旋轉(zhuǎn)。肌球蛋白也發(fā)揮著重要作用。在斑馬魚胚胎中，用肌球蛋白抑制劑blebbistatin 干預(yù)，會破壞有絲分裂主軸與張力軸的對齊［18］。肌球蛋白在果蠅翼盤外周極化分布，該處細(xì)胞處于最大拉伸，有絲分裂根據(jù)拉伸軸進(jìn)行取向［20］。同樣地，果蠅翼盤還有一種非常規(guī)的肌球蛋白Dachs，它通過收縮使得細(xì)胞沿近端-遠(yuǎn)端軸伸長，細(xì)胞以近端-遠(yuǎn)端方向進(jìn)行分裂［19-20,36］。除了肌動蛋白和肌球蛋白。還有以下分子參與了力學(xué)調(diào)控有絲分裂取向：皮質(zhì)錨Gαi/GOA-1 和GPA-16復(fù)合物（果蠅和脊椎動物/秀麗隱桿線蟲）以及對應(yīng)蛋白Mud/NuMA/LIN-5 和Pins/LGN/GPR-1,2（果蠅/脊椎動物/秀麗隱桿線蟲）［37-38］。敲除掉NuMA 的角質(zhì)細(xì)胞，細(xì)胞分裂方向并不會和拉伸方向?qū)R［13］。果蠅卵巢上皮細(xì)胞中，基于Mud/NuMA 在三細(xì)胞連接處的定位，將間期的長軸轉(zhuǎn)化為局部的力，可以使有絲分裂定向分裂［32，37］。果蠅中胚層內(nèi)陷產(chǎn)生的力，可以使得Pins 蛋白極化，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂方向［39］。除了細(xì)胞骨架和粘附分子，細(xì)胞質(zhì)對有絲分裂取向也起著重要作用。KELKAR等［35］用磁鑷對海膽細(xì)胞的有絲分裂主軸施加干預(yù)，發(fā)現(xiàn)嵌入主軸的細(xì)胞質(zhì)，將受干預(yù)的主軸移回。

綜上，力學(xué)對有絲分裂取向的調(diào)控一直是生物力學(xué)的重要課題，它能幫助我們更好地了解胚胎發(fā)育和形態(tài)發(fā)生。在復(fù)雜的生物體中，力學(xué)調(diào)控有絲分裂取向的信號通路和分子機制仍有很多細(xì)節(jié)不清楚，有待進(jìn)一步的研究。