拉開染色體就像開推土機？他們設計了兩種細胞里的「測力計」

「膜仁消失現兩體，赤道板上排整齊……」對不少同學來說，這也許是他們對細胞分裂過程最深刻的印象。不過，這項被寫進教科書多年的細胞行為，仍有許多細節困擾著當今的生物學家們。

動物細胞有絲分裂的示意動畫。圖片來源：leavingbio.net

動粒受到了多少力？

其中一個被爭論了許多年的問題，就是在細胞有絲分裂期間，染色體排列在赤道板上準備被分開拉向細胞兩極時，動粒（也就是「著絲點」）受到的拉力有多大。這個問題的答案對弄清動粒的結構，乃至理解細胞如何分裂至關重要。

細胞分裂過程。圖片來源：tumblr.com

馬雷斯卡的團隊發表在《自然·通訊》上的論文，闡釋了利用兩種不同的力感受器去測量果蠅細胞在有絲分裂過程中產生的拉力，他們得出結論：紡錘絲在動粒上施加的、朝向細胞兩極的力足有數百皮牛（1pN=10-12N）大小。

簡易版的果蠅動粒模型。紅色為與動粒相連的紡錘絲（微管）。綠色、灰色及藍色為構成動粒的蛋白質及蛋白複合體。圖片來源：參考文獻1

科學家們顯然無法在動粒上拴一個彈簧測力計來完成這樣的任務。在這個研究中，馬雷斯卡的團隊巧妙地採用了類似的思路——他們構建了兩種不同的力感受器，上面帶有不同的熒光基團。

隨受力而變化的熒光基團

這些感受器在受到拉力時會發生構象變化，熒光強度隨之受到改變。通過將這兩種力感受器嵌入果蠅動粒的重要結構—— 著絲粒蛋白CENP-C，研者究得以通過分析熒光的改變情況估算施加在每個CENP-C蛋白上的拉力。

第一種力感受器基於熒光能量共振轉移（FRET）效應設計。下圖a為原理示意：當青色熒光蛋白與黃色熒光蛋白的距離較遠時，青色熒光蛋白吸收激發光的能量後發出青色熒光；但當青色熒光蛋白與黃色熒光蛋白距離較近（通常小於10nm）時，黃色熒光基團通過FRET效應獲得能量，發出黃色熒光。

下圖b為感受器示意圖：青色熒光蛋白和黃色熒光蛋白之間通過彈性肽鏈相連，在所受拉力較小時，兩個熒光蛋白距離較近，FRET效應較強；而受到較大拉力時，彈性肽鏈被拉長，兩個熒光蛋白之間的距離變大，FRET效應減弱。

通過比較細胞分裂間期和細胞分裂中期的結果，研究者最終得出平均每一個CENP-C蛋白受到約1.2-1.4pN的拉力。圖片來源：a：semrock.com；b：參考文獻[1]

第二種力感受器則基於踝蛋白（下圖中部紅、白色結構）和黏著斑蛋白（黃、紅色結構）設計。這兩種蛋白能夠結合在一起。踝蛋白受到的拉力作用越大，它與黏著斑蛋白結合的結構域（紅色）就暴露得更多，因此能夠結更多黏著斑蛋白。研究者在CENP-C蛋白中間插入踝蛋白，而在黏著斑蛋白上加上綠色熒光蛋白。

通過分析CENP-C蛋白受力時結合在踝蛋白上的熒光，研究者最終發現細胞分裂中期與細胞不分裂時相比，結合在踝蛋白上的黏著斑蛋白相差了約1.3個，根據此前研究數據換算出平均每一個CENP-C蛋白受到的拉力約2pN。圖片來源：參考文獻[1]

細胞中的「推土機」

在三年多的實驗里，該課題組獲得了超過3200個數據點。兩套力感受器系統估算得的拉力數據比較一致，研究者認為在果蠅細胞有絲分裂中期，每個CENP-C蛋白受力在1-2pN之間。平均而言，每個動粒與11條微管連接，每條微管與12到31個CENP-C蛋白結合。因此，在果蠅細胞分裂過程中將拖拽動粒的拉力範圍在135-677pN之間。在如此之小的尺度下，這樣的拉力已經非常高了。馬雷斯卡說：「在細胞中有不同的分子馬達，有一些像短跑運動員，但是我們測得的這個更像是推土機——它們能夠在一個緩慢而穩定的速率下製造比較大的力。」

他還表示，分子馬達在微管上移動，就像在高速公路上行駛一樣。「這種拉力非常強，但並不是很快，我們認為是『道路』而非『汽車』產生了大部分存在的拉力。」他希望這些研究結果能幫助人們解決由來已久的拉力問題，並由此進一步加深對細胞分裂過程的理解。

未解之謎還多著呢！圖片來源：tumblr.com

參考文獻：

1. Anna, A. Ye, Stuart Cane, and Thomas J. Maresca. "Chromosome biorientation produces hundreds of piconewtons at a metazoan kinetochore." Nature Communications 7 (2016): 13221.

2. Strong, Steady Forces at Work During Cell Division. umass.edu

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本文來自果殼網，略有刪改。

編輯：Calo、栗子先生

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