幹細胞分裂的結構和功能

利用大分子結晶學beamlines、I04和I04-1在金剛石光源上，對幹細胞中細胞分裂器的核心構成了一個重要的複合物。最近發表在在《自然通訊》(Nature Communications)，被稱為LGN的紡錘體定向蛋白(LGN)與一種被稱為「不可分割」的適配器蛋白結合在一起，這種蛋白質被稱為四聚體結構，它驅動了不對稱的幹細胞分裂。幹細胞是未分化的細胞，具有分化為特殊細胞的能力。在發育中的胚胎中，幹細胞是所有其他細胞的基礎，而在成人中，它們可以通過補充失去的組織來輔助修復。為了確保分化細胞和未分化細胞之間的生理平衡，幹細胞進行非對稱分裂，產生一個完全相同的子幹細胞和分化細胞。

在左邊，一個幹細胞定向(由紅色箭頭突出顯示的運動)它的有絲分裂的紡錘體(在綠色中)，以在兩個子細胞中不均勻地分割其細胞成分(粉紅色和黃色)，一種是保持莖的狀態(粉紅色)，另一種是致力於區分(黃色)。在右邊，Insc的結構：LGN複雜的管理這個不對稱的細胞分裂過程。Insc：LGN複雜的組合在高度穩定的交織四聚體結構中(藍色和紫色的Insc，黃色和橙色的LGN)。圖片：Diamond Light Source

不對稱分裂發生在細胞內容的不平等分離的時候。為了實現這一點，必須仔細定位細胞的分裂線(稱為軸)。幹細胞使用極性蛋白，如Par3，來確定這個軸的位置，然後像LGN和Inscuteable (Insc)這樣的蛋白質幫助將有絲分裂的主軸與極性軸相結合。儘管這一過程很重要，但人們對蛋白質之間的相互作用知之甚少。濱Mapelli博士組長在歐洲腫瘤研究所的米蘭和西蒙Culurgioni博士，隨著義大利理工學院的科學家們，加上歐洲分子生物學實驗室的格勒諾布爾著手解決LGN必將Insc的晶體結構。他們發現這些蛋白質相互交織在一種迷人的四聚體結構中，發現單是Insc就具有令人印象深刻的抗增殖能力。

幹細胞是重要的，因為它們對組織再生至關重要，它們可以用於許多醫學方法。然而也與一些複發性癌症有關聯，這些癌症可能來自於幹細胞池，並以緩慢的速度擴散，這使得傳統化療藥物無法觸及它們。幹細胞以一種不對稱的方式分化，產生能分化的細胞，再加上另一個幹細胞。要有不對稱的細胞分裂，分離細胞物質的設備，即有絲分裂紡錘體，必須精確定向。Par3決定了細胞的極性，其他的蛋白質如LGN和Insc聚集在一起形成一個複雜的，以使有絲分裂的紡錘體排列整齊。

米蘭團隊與幹細胞研究有著悠久的歷史，並且已經對非對稱細胞分裂進行了多項研究。Mapelli博士和Culurgioni博士之前發表了LGN和Insc部分的結構，但是他們熱衷於研究一個更大的複雜的結構來捕獲這些蛋白質的功能區域。Culurgioni博士解釋了他們的動機：以前部分結構只解釋了部分內容，但我們想要完全理解它，我們想要解決的是它們的最小部分的結構是功能性的。這個團隊開始了一項多年的長期研究。晶化過程的最優化需要幾年的時間，因為晶體需要很長時間才能生長，而且不能再生，原因之一是蛋白質複合體非常靈活。這種靈活性被懷疑是因為在一個動態環境中，這個複合物被發現在靠近細胞膜的地方，並且在歐洲同步加速器輻射設備(ESRF)中被小角度x射線散射(SAXS)證實。

研究人員用beamlines I04和I04-1解決了LGN的結構，並通過小鼠的乳腺幹細胞進行了一系列實驗，驗證了結構的真實感。在乳腺幹細胞中，測量蛋白的表達水平以及它們對非對稱細胞分裂的影響。這些結果對Insc與腫瘤抑制蛋白p53之間的聯繫有重要意義。來自Diamond的數據顯示，LGN和Insc形成了一個緊密的組合，包含了每一種蛋白質的兩種四聚體結構。他們也看到了LGN與主軸方向蛋白NuMA的關係：從Insc和NuMA的結構和生物學數據中發現了LGN的相同位置，但不可能從一個到另一個。這個想法是有兩個LGN的池：一個經常與Insc互動，一個經常與NuMA接觸。

令人驚訝的是，研究小組還發現Insc可以減少幹細胞的增殖。他們通過破壞一種稱為p53的增殖調節劑來證明這一點，從而導致異常細胞生長，然後表達Insc。他們發現Insc推動了不對稱的分裂，從而降低了對稱分裂的速度，最終減緩了擴散。接下來團隊希望了解另一個LGN池如何與NuMA協調它的活動，因此他們將返回Diamond繼續他們的結構特徵。他們還可以探索Insc和Par3之間的相互作用，以了解主軸如何與極性蛋白連接。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature Communications｜來自：Diamond Light Source

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