有丝分裂秒表监测并防止有缺陷的细胞分裂

细胞分裂是一个精确的过程，但有时它可能会受到损害，从而导致癌症等疾病的发生。冲绳科学技术研究所(OIST)的研究人员与加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的科学家合作，通过测量有丝分裂的持续时间，发现了一种防止潜在危险细胞增殖的分子机制。该团队新报告的实验室研究表明，利用活细胞成像等技术来观察细胞随时间的变化，他们将这种有丝分裂持续时间监测机制(他们称之为有丝分裂秒表)随着细胞分裂的时间而变得更强，从而去除异常细胞保护有机体。

加州大学圣地亚哥分校细胞与发育生物学系教员阿尔沙德·德赛博士说：“这项工作表明，细胞仔细监测执行有丝分裂所需的时间，并将其用作过滤器来消除潜在有问题的细胞。”“如果一个细胞需要比正常情况更长的时间来完成有丝分裂，那么子细胞就会知道它们的母亲在努力执行有丝分裂，并且作为安全措施，它们将停止分裂。”

研究小组表示，他们的发现具有潜在的临床应用，并最终有助于治疗某些癌症。一些癌症保持活跃的有丝分裂秒表，这使得它们对抗有丝分裂药物敏感，这些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，”细胞增殖和基因编辑负责人FranzMeitinger博士教授说冲绳科学技术研究所(OIST)的单位。Meitinger和该部门的研究员HazratBelal博士是该团队在《科学》杂志上发表的题为“有丝分裂记忆控制细胞增殖”报告的第一作者。研究小组在论文中指出，“……秒表状态可能会影响目前使用或正在开发的针对有丝分裂过程的治疗药物的功效，并可以作为其在癌症治疗中使用的潜在生物标志物。”

我们的细胞每天都在努力繁殖。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，这组染色体被正确地分成两个遗传上相同的子细胞。

通常，当细胞分裂时，它会复制染色体的精确副本，因此两个新子细胞中的每一个都会收到完美的副本。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。“有丝分裂是一个复杂的事件，发生在严格限制的时间范围内，”作者写道。“有丝分裂延长是问题的征兆，可能导致染色体错误分离，这是基因组不稳定的触发事件。”

有丝分裂的延迟会触发研究人员所说的有丝分裂秒表——当细胞经历不寻常的、长时间的有丝分裂时就会形成一种复合体。“因为监测有丝分裂持续时间的机制以模拟方式起作用并且与时间成正比，所以我们将其称为有丝分裂秒表，”作者解释道。“这种复合体不会在正常的有丝分裂过程中形成，只有在需要更长的时间时才会形成，”梅廷格说。“细胞中的缺陷并不能直接被细胞识别，但细胞可以测量它们在有丝分裂中花费的时间，并利用这些信息来了解有丝分裂发生的情况。我们想了解分子机制如何保护有机体免受癌症发展。”

为了监测细胞通路，研究人员使用活细胞成像在显微镜下观察细胞。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，实际上被困在这个阶段。研究人员解释说：“由于细胞在不同时间进入有丝分裂，因此这种治疗产生的细胞有丝分裂持续时间在约30至约400分钟之间。”随后去除抑制剂使细胞能够继续分裂。

然后在三天内观察细胞以确定它们的命运。研究小组指出：“抑制剂清除后，细胞完成有丝分裂，并对产生的子细胞进行48小时的跟踪，以确定它们是停止增殖、发生细胞凋亡还是继续增殖。”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。

研究人员发现，秒表是由一条生化途径组成，持续监测有丝分裂所花费的时间。该通路具有一种“记忆”功能，可以总结从一代到下一代的有丝分裂延迟。他们发现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本身。这些蛋白质仅在异常长的有丝分裂期间相互作用，并且在这种延长的有丝分裂期间，形成越来越多的复合物。

实验表明，该途径作为一种“记住”有丝分裂时间的质量控制机制。他们发现，即使细胞分裂仅延迟20分钟也被标记为有风险。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。他们报告说：“我们在此表明​​，有丝分裂延伸导致p53结合蛋白1(53BP1)-泛素特异性蛋白酶28(USP28)-p53蛋白复合物的形成，这些复合物被传递到子细胞并被子细胞稳定保留。”这种激活会触发其他因素，根据细胞类型，这些因素可以永久阻止或杀死细胞。形成的越复杂，结果越强。

保留活跃有丝分裂秒表的癌细胞(用洋红色和绿色的FUCCI细胞周期标记物可视化)很容易受到抗有丝分裂药物的影响。

保留活跃有丝分裂秒表的癌细胞(用洋红色和绿色的FUCCI细胞周期标记物可视化)很容易受到抗有丝分裂药物的影响。[Meitinger等人，2024]

“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，但如果细胞再次有适度延长的有丝分裂，它就会停止，”贝拉尔进一步解释道。正如研究人员还指出的那样，“虽然秒表机制可以检测相对较小的有丝分裂延伸，但它对正常有丝分裂持续时间不敏感。”他们指出，集体结果“表明有丝分裂秒表复合物只有在有丝分裂超出其正常持续时间时才会形成，在有丝分裂延长期间丰度逐渐增加，由子细胞遗传，并且足够稳定以传递延长的记忆”有丝分裂。”

科学家们还发现，一种名为PLK1的激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。他们评论道：“这项工作表明，有丝分裂延伸的程度是通过有丝分裂秒表复合物的PLK1激酶依赖性组装来编码的，并传递给子细胞。”

研究人员认为，有丝分裂的关键30分钟可能是进化的解决方案，可以在细胞脆弱时快速度过生命中至关重要但潜在危险的部分。USCD生物科学学院和医学院的KarenOegema博士将癌症比作我们体内的外星人，我们不断地使用秒表等监视机制来对抗它。重要的是，研究人员证明，秒表机制被许多类型的癌症“关闭”，从而有效地使它们能够容忍经历更长且有问题的有丝分裂的异常基因组。

“我们的研究表明，测量有丝分裂时间是一种为了保护我们而开发的机制，”细胞与发育生物学系教授Oegema说。“本质上，这是另一种肿瘤抑制功能，与p53的作用相关，以防止有问题的细胞。”

肿瘤抑制蛋白p53会阻止潜在受损细胞的生长并防止其增殖。报道的工作表明，当复合物形成时，它可以稳定并激活p53，然后p53可以充当转录因子——一种可以关闭和打开基因的蛋白质，确保它们在正确的细胞中正确表达时间。

这些发现为了解这些蛋白质在延长有丝分裂过程中以及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。梅廷格说：“当产生的一点点复合物不足以阻止细胞时，即使在孙子细胞中，复合物也会保持稳定并积累。”“孙女细胞可以记住祖母细胞中适度延长的有丝分裂状态。”

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，这条途径通常不活跃，因为它已经突变，有丝分裂有缺陷，从而促进了癌症的发展。

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。

作者写道，“由于秒表功能依赖于p53，因此预计秒表在约50%的含有p53突变的人类癌症中不起作用。这种预期在三种p53突变的癌症衍生细胞系中得到了证实……秒表功能受损可能对于有问题的有丝分裂的耐受性很重要，有丝分裂是癌症特征性非整倍性和基因组不稳定性的促成因素和后果。”

贝拉尔指出，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。

总之，该团队表示，“这项工作表明，有丝分裂延伸的程度是通过有丝分裂秒表复合物的PLK1激酶依赖性组装来编码的，并传递给子细胞。这种机制能够检测有丝分裂的微妙重复延伸，在增殖细胞群中起到保真度过滤器的作用，并可能解释其在癌症中频繁失活，以及将秒表复杂成分分类为肿瘤抑制因子。”