果蝇精子细胞揭示了细胞复制错综复杂的协调能力

基本细胞生物学研究为组织再生的早期步骤增加了新的视角

资料来源：

宾夕法尼亚大学医学院

摘要：

干细胞对于我们身体组织的不断再生是非常关键的。因此，如果它们的再生能力可以得到利用，那么操纵干细胞将会为生物医学带来许多承诺。然而，了解干细胞是如何管理正常组织重建的仍然处于该领域的起步阶段。研究人员通过研究在果蝇的自然环境下的干细胞而在该领域取得了进展。

干细胞对于我们身体组织的不断更新是非常关键的。因此，如果它们的再生能力可以得到利用，那么操纵干细胞将会为生物医学带来许多承诺。然而，了解干细胞是如何管理正常组织重建的仍然处于该领域的起步阶段。

宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员通过研究在果蝇的自然环境下的干细胞而在该领域取得了进展。干细胞群存在于不同类型的器官内部称为生态位的区域内。科学家们认为这些生态位控制了干细胞的行为，也就是“告诉了”干细胞何时产生更多的干细胞或是何时产生将作为该组织或器官的重负荷机器的子细胞。此外，许多生态位包含着不同的干细胞类型，每个对于生产出组织更新所需的不同类型的细胞都是必要的。但是，对于不同的干细胞类型如何在一个生态位内进行协调生产出子细胞几乎是未知的。

细胞和发育生物学的博士斯蒂芬·迪纳尔以及迪纳尔实验室的博士后科学家卡里F·伦哈特研究了果蝇精子的发育，将其作为研究干细胞-生态位的模型。在这种情况下，存留在睾丸尖端的生态位是干细胞分裂的部位，这对于在之后产生精子的子细胞的产生是至关重要的。

迪纳尔和伦哈特表明，这些干细胞的分裂在复制的最后阶段得到调节，被称为胞质分裂，仅在两个子细胞分离前发生。更重要的是，这种分离的时间受到了生态们中邻近干细胞的控制。这个惊人的发现表明，这个惊人的发现表明，胞质调控是指该生态位是如何协调性地从不同的干细胞类型中产生子细胞的。这篇文章于7月27日印刷出版的《发育细胞》发刊之前在网上进行了公布。

看到就是发现

在果蝇睾丸的生态位内，之前的研究已经表明，不同的干细胞类型必须进行相互协调。如果它们各自的功能相互脱节，以突变为例，该睾丸就不能够产生精子。这种协调在许多组织的生态位内都是一个新兴的主题。例如，在血细胞生产和毛囊生态位中，不同的干细胞类型需要与它们各自的生产进行协调。但是，这样的协调是如何产生的？这就是充分研究果蝇睾丸的用武之地。

 “使用高功率显微镜，我们可以查看单个细胞，并且研究它们是如何实时复制的，”伦哈特表示。“这使得我们在干细胞内发现了一些与胞质分裂有关的事务。通常情况下，胞质分裂是一个进程在所有细胞内几乎相同的基本细胞过程；但是这里发生了一些非常奇怪的事情。”

通过实时成像，他们发现在两个子细胞之间的蛋白质肌动蛋白形式形成的一个环阻止了胞质分裂的进程。该阻止的持续时间受到了另一种酶的控制。“我们已经发现了一种令胞质分裂暂时停止并且在之后开始回升的方法，并且这种现象协调了在这个生态位内干细胞成熟过程中的所有细胞参与者，”迪纳尔表示。他们还发现，非生殖细胞需要将其自身包裹在精子干细胞之内，以此促进其胞质分裂的最后步骤。

一步一步

在果蝇精巢内存在着两种类型的干细胞：一个是其命运是产生一个成熟成为一个成熟精细胞的子细胞以及一个维持为干细胞的子细胞（否则，在该组织的每次分裂都将损失一个干细胞，并且迅速为其更新耗尽其容量），以及一个作为体细胞或者非生殖细胞干细胞的第二细胞类型，其同样会产生一个维持为干细胞的子细胞，以及另一个成熟后作为在包囊过程中位于成熟的精子细胞侧面的保护性细胞的子细胞。为了完成这个图像，两个这样的体细胞保护性细胞包围在每个成熟精子细胞周围，并且这些包囊体细胞将会对如何以及何时成熟对精子细胞发出信号。

 “没有这些信号——没有精子——这就是为什么生态位必须用两个干细胞类型与生产进行协调，”伦哈特解释称。

研究人员认为，干细胞的分裂进行协调是为了产生这三类细胞，但伦哈特发现情况并不是这样的。从其他研究了解到，精子细胞在分裂过程中的暂停持续时间可能比预期的要长——长达15小时——与其他类型的分裂细胞相比，它们通常只需要两个小时就能完成到两个子细胞的分裂。宾夕法尼亚大学的研究为该延迟是如何建立的以及为什么它可能存在增加了新的理解。

她发现，精子干细胞的复制过程中的胞质分裂步骤通常到达一个点。物理型将两个子细胞挤压开来的临时结构——典型的收缩环——如预期被拆除，但是一个新的环在其位置上由肌动蛋白构成。此肌动蛋白环阻止了子细胞的分离。

最终，该阻碍会逆转，肌动蛋白环分解，并且分裂完成。她发现，胞质分裂“完成的时间”受到了侧翼体细胞的调节。“我们还不了解这种类型的协调和控制是否在其他组织类型的干细胞生态位中同样有效，”迪纳尔表示。“但是，通过成像在分裂、停止以及之后继续分裂的过程中的活细胞的能力，根据不同的条件，果蝇系统令我们能够了解在细胞生物学这个非常基本的过程中所必须的步骤。”

展望未来，迪纳尔实验室正在寻找其他类型的组织中的干细胞生态位，用以研究这个精致的控制是否也存在于其中。

材料来源：

上述帖子转载宾夕法尼亚大学医学院提供的材料。最初的文章是由詹姆斯·哈特维撰写的。注：材料的内容及长度可能经过了再次编辑。

参考资料：

Kari F. Lenhart, Stephen DiNardo. Somatic Cell Encystment Promotes Abscission in Germline Stem Cells following a Regulated Block in Cytokinesis. Developmental Cell, 2015; DOI: 10.1016/j.devcel.2015.05.003