有丝分裂取向的生物力学进展

陈泰霖，杜婧

（北京航空航天大学 生物与医学工程学院，北京 100083）

在胚胎或者成体中，细胞有丝分裂的方向需受到精确的调控。大量研究表明，有丝分裂的方向对胚胎发育、组织结构和细胞命运起着重要的作用。有丝分裂方向的错误，会导致畸形发育和肿瘤的发生［1-4］。大多数关于细胞分裂方向的研究都集中在分子机制［5-6］。然而，最近越来越多的研究工作表明，外在的力学因素也能指导有丝分裂的取向［7-9］。本文着重综述力学因素对有丝分裂取向的调控。

早期发现力学可以调控有丝分裂取向，是将单细胞粘合在不同的微图案［10-12］。不同的微图案，细胞会表现出不同的形状，有丝分裂方向与细胞形状的长轴对齐。为了验证外部机械力能更直接地控制有丝分裂的方向，FINK 等［10］对海拉（HeLa）细胞施加单轴拉伸，细胞的分裂方向和拉伸的方向对齐，同样地在角质细胞中也存在类似现象［13］。和拉伸对应的是挤压，CHEN 等［14］在培养的HeLa 克隆团中发现，位于克隆团内部的细胞受到的挤压较大，细胞的分裂方向垂直于挤压的方向。剪切应力也对有丝分裂取向起着指导作用，如血流对血管内皮细胞施加剪切力，有丝分裂轴的方向和剪切力垂直［15］。

在分裂间期的时候，细胞会变圆，那么分裂前的力和形状信息是如何传递给有丝分裂主轴的。FINK 等发现回缩纤维在其中起着重要的作用［10］。回缩纤维是充满肌动蛋白丝的膜管，它们作为锚将有丝分裂细胞连接到细胞外基质上。细胞分裂变圆，FINK 等通过激光烧蚀切割与纺锤体两端相邻的回缩纤维。在十字形图案上，主轴旋转并与剩余的牵引纤维所决定的垂直轴对齐。相反，在条形图案上，没有保留任何牵引纤维，没有观察到明显的主轴重新定向［10］。但是近来有研究发现，不需要固定的线索或间期形状的物理记忆（回缩纤维），在有丝分裂细胞圆化过程，染色质足以将间期形状转化为主轴可以读取的信息，然后引导细胞分裂的轴。尽管上述内在调控足以定位纺锤体，但是引入外力仍然很容易影响纺锤体的方向［16］。

除了细胞实验，在生物组织的实验中，力学同样对有丝分裂取向起着重要作用。胚胎发育过程中，需要严格控制有丝分裂的方向，从而调节组织的形状。在斑马鱼胚胎外包运动，包被层（enveloping layer,EVL）细胞会沿着动-植物轴的方向分裂，分裂方向和外包的方向一致［17］。CAMPINHO 等［18］发现动-植物轴方向的张力比圆周轴的方向要大，细胞分裂方向沿着张力大的方向。在果蝇翼盘生长过程中发现，翼盘外围周向拉伸最大，细胞分裂方向也是沿着周向［19-20］。在鸡胚毛囊发育过程中，真皮凝结的中央受到的挤压最大，表皮的分裂方向是垂直于挤压方向［14］。

力学指导有丝分裂取向，有着重要的生理功能，例如为了保证上皮细胞平面分裂，细胞间侧向粘附蛋白上皮型钙黏附蛋白（E-cadherin）招募LGN/NuMA 复合物，从而连接动力蛋白对微管施加拉力，使得纺锤体沿着组织平面取向［21-23］。相反受挤压的鸡胚表皮细胞，会在垂直于挤压方向分裂，发育成多层表皮细胞，为后续毛囊的发育打好结构基础［14］。

力学对有丝分裂取向的调控，和细胞的几何结构关系密切。研究者OSCAR HERTWIG 提出了一个细胞形状决定细胞分裂轴的原则，纺锤体的轴线位于细胞的最长轴线上，因此分裂倾向于横向切割这一轴线［24］。后续研究［25-26］也证实了这一点。早期的胚胎中，细胞几何似乎对决定细胞分裂面的位置特别重要［27-28］。然而，在发育后期，当细胞形成极性，细胞的几何形状变得不那么重要，这时候分裂的取向是由粘附性连接和细胞骨架极性所决定的［29-31］。

但细胞分裂取向也不是完全遵循张力轴/长轴方向。在高度伸长的细胞中，细胞分裂方向主要由细胞的张力轴决定［32-34］。在具有中等各向异性的细胞中，有可能出现不同的情况：在不成熟的上皮细胞或犬肾上皮细胞（madin-darby canine kidney,MDCK）层中，有丝分裂的取向与细胞张力无关；在成熟的上皮细胞中，有丝分裂取向与局部张力轴一致［32-34］。

在力学调控有丝分裂取向的过程中，涉及到多个分子结构。其中肌动蛋白和肌球蛋白在将纺锤体与外力联系起来方面具有重要作用。皮层下肌动蛋白在有丝分裂过程中，靠近回缩纤维，且集中在分布不均的牵拉纤维上，还可以通过对星形微管施加拉力来帮助对齐纺锤体［10］。KELKAR等［35］通过光遗传学的方法，用RhoA 蛋白激活引起的皮质张力的局部突然增加，减少了皮质对星状微管的拉力，导致施加在纺锤体上的扭矩平衡被扰乱，从而使其旋转。肌球蛋白也发挥着重要作用。在斑马鱼胚胎中，用肌球蛋白抑制剂blebbistatin 干预，会破坏有丝分裂主轴与张力轴的对齐［18］。肌球蛋白在果蝇翼盘外周极化分布，该处细胞处于最大拉伸，有丝分裂根据拉伸轴进行取向［20］。同样地，果蝇翼盘还有一种非常规的肌球蛋白Dachs，它通过收缩使得细胞沿近端-远端轴伸长，细胞以近端-远端方向进行分裂［19-20,36］。除了肌动蛋白和肌球蛋白。还有以下分子参与了力学调控有丝分裂取向：皮质锚Gαi/GOA-1 和GPA-16复合物（果蝇和脊椎动物/秀丽隐杆线虫）以及对应蛋白Mud/NuMA/LIN-5 和Pins/LGN/GPR-1,2（果蝇/脊椎动物/秀丽隐杆线虫）［37-38］。敲除掉NuMA 的角质细胞，细胞分裂方向并不会和拉伸方向对齐［13］。果蝇卵巢上皮细胞中，基于Mud/NuMA 在三细胞连接处的定位，将间期的长轴转化为局部的力，可以使有丝分裂定向分裂［32，37］。果蝇中胚层内陷产生的力，可以使得Pins 蛋白极化，从而调节细胞分裂方向［39］。除了细胞骨架和粘附分子，细胞质对有丝分裂取向也起着重要作用。KELKAR等［35］用磁镊对海胆细胞的有丝分裂主轴施加干预，发现嵌入主轴的细胞质，将受干预的主轴移回。

综上，力学对有丝分裂取向的调控一直是生物力学的重要课题，它能帮助我们更好地了解胚胎发育和形态发生。在复杂的生物体中，力学调控有丝分裂取向的信号通路和分子机制仍有很多细节不清楚，有待进一步的研究。