有絲分裂取向的生物力學進展

陳泰霖，杜婧

（北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京 100083）

在胚胎或者成體中，細胞有絲分裂的方向需受到精確的調控。大量研究表明，有絲分裂的方向對胚胎發育、組織結構和細胞命運起著重要的作用。有絲分裂方向的錯誤，會導致畸形發育和腫瘤的發生［1-4］。大多數關于細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，外在的力學因素也能指導有絲分裂的取向［7-9］。本文著重綜述力學因素對有絲分裂取向的調控。

早期發現力學可以調控有絲分裂取向，是將單細胞粘合在不同的微圖案［10-12］。不同的微圖案，細胞會表現出不同的形狀，有絲分裂方向與細胞形狀的長軸對齊。為了驗證外部機械力能更直接地控制有絲分裂的方向，FINK 等［10］對海拉（HeLa）細胞施加單軸拉伸，細胞的分裂方向和拉伸的方向對齊，同樣地在角質細胞中也存在類似現象［13］。和拉伸對應的是擠壓，CHEN 等［14］在培養的HeLa 克隆團中發現，位于克隆團內部的細胞受到的擠壓較大，細胞的分裂方向垂直于擠壓的方向。剪切應力也對有絲分裂取向起著指導作用，如血流對血管內皮細胞施加剪切力，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 等發現回縮纖維在其中起著重要的作用［10］。回縮纖維是充滿肌動蛋白絲的膜管，它們作為錨將有絲分裂細胞連接到細胞外基質上。細胞分裂變圓，FINK 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］。但是近來有研究發現，不需要固定的線索或間期形狀的物理記憶（回縮纖維），在有絲分裂細胞圓化過程，染色質足以將間期形狀轉化為主軸可以讀取的信息，然后引導細胞分裂的軸。盡管上述內在調控足以定位紡錘體，但是引入外力仍然很容易影響紡錘體的方向［16］。

除了細胞實驗，在生物組織的實驗中，力學同樣對有絲分裂取向起著重要作用。胚胎發育過程中，需要嚴格控制有絲分裂的方向，從而調節組織的形狀。在斑馬魚胚胎外包運動，包被層（enveloping layer,EVL）細胞會沿著動-植物軸的方向分裂，分裂方向和外包的方向一致［17］。CAMPINHO 等［18］發現動-植物軸方向的張力比圓周軸的方向要大，細胞分裂方向沿著張力大的方向。在果蠅翼盤生長過程中發現，翼盤外圍周向拉伸最大，細胞分裂方向也是沿著周向［19-20］。在雞胚毛囊發育過程中，真皮凝結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］。

力學指導有絲分裂取向，有著重要的生理功能，例如為了保證上皮細胞平面分裂，細胞間側向粘附蛋白上皮型鈣黏附蛋白（E-cadherin）招募LGN/NuMA 復合物，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胞，會在垂直于擠壓方向分裂，發育成多層表皮細胞，為后續毛囊的發育打好結構基礎［14］。

力學對有絲分裂取向的調控，和細胞的幾何結構關系密切。研究者OSCAR HERTWIG 提出了一個細胞形狀決定細胞分裂軸的原則，紡錘體的軸線位于細胞的最長軸線上，因此分裂傾向于橫向切割這一軸線［24］。后續研究［25-26］也證實了這一點。早期的胚胎中，細胞幾何似乎對決定細胞分裂面的位置特別重要［27-28］。然而，在發育后期，當細胞形成極性，細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胞骨架極性所決定的［29-31］。

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

在力學調控有絲分裂取向的過程中，涉及到多個分子結構。其中肌動蛋白和肌球蛋白在將紡錘體與外力聯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］通過光遺傳學的方法，用RhoA 蛋白激活引起的皮質張力的局部突然增加，減少了皮質對星狀微管的拉力，導致施加在紡錘體上的扭矩平衡被擾亂，從而使其旋轉。肌球蛋白也發揮著重要作用。在斑馬魚胚胎中，用肌球蛋白抑制劑blebbistatin 干預，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，該處細胞處于最大拉伸，有絲分裂根據拉伸軸進行取向［20］。同樣地，果蠅翼盤還有一種非常規的肌球蛋白Dachs，它通過收縮使得細胞沿近端-遠端軸伸長，細胞以近端-遠端方向進行分裂［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調控有絲分裂取向：皮質錨Gαi/GOA-1 和GPA-16復合物（果蠅和脊椎動物/秀麗隱桿線蟲）以及對應蛋白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 的角質細胞，細胞分裂方向并不會和拉伸方向對齊［13］。果蠅卵巢上皮細胞中，基于Mud/NuMA 在三細胞連接處的定位，將間期的長軸轉化為局部的力，可以使有絲分裂定向分裂［32，37］。果蠅中胚層內陷產生的力，可以使得Pins 蛋白極化，從而調節細胞分裂方向［39］。除了細胞骨架和粘附分子，細胞質對有絲分裂取向也起著重要作用。KELKAR等［35］用磁鑷對海膽細胞的有絲分裂主軸施加干預，發現嵌入主軸的細胞質，將受干預的主軸移回。

綜上，力學對有絲分裂取向的調控一直是生物力學的重要課題，它能幫助我們更好地了解胚胎發育和形態發生。在復雜的生物體中，力學調控有絲分裂取向的信號通路和分子機制仍有很多細節不清楚，有待進一步的研究。