不用 DNA 复制也行?第 3 种细胞分裂模式“无合成分裂”登上《Nature》期刊

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长年以来,DNA 复制都被认为是体细胞增生过程中关键一环,然而中研院研究团队却意外在斑马鱼表皮细胞研究中发现一种非典型细胞分裂机制,能在不经过 DNA 复制过程下完成分裂。由于此项发现相当于打破过去近百年来对细胞分裂的认知,研究论文在近期登上《自然》(Nature)期刊后已并获专文推广。

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快速生长期的临时方案:只增生不复制 DNA

这项突破性研究是中研院细胞与个体生物学研究所助研究员陈振辉团队发表,研究团队原本是希望透过斑马鱼表皮细胞探索生物再生过程的细胞和分子机制,但却意外在过程中观察到表皮细胞的大量分裂情况。由于这种全新的细胞分裂模式不须经过 DNA 复制,也因此被命名为“无合成分裂”(asynthetic fission)。

只是虽然看似方便,未经过复制 DNA 的过程仍可能为子细胞带来许多问题,而团队也确实在观察过程中注意到一些特殊情况,像是细胞的 DNA 划分不完全或甚至分裂失败,这也让研究人员更加好奇,无合成分裂究竟是为什么出现?

陈振辉助研究员认为,无合成分裂可能是表皮细胞的一种临时方案,目的只是因应快速生长期间迅速增长的表皮覆蓋需求,透过多色细胞标志工具“Palmskin”追踪,团队也证实无合成分裂确实在幼鱼发育的快速成长期达到最高峰;在这段期间,表层体细胞的单一母细胞在其生命周期内可以分裂 2 次,产生最多 4 个子细胞,尽管子细胞更小、更扁平也不具有完整 DNA,它们却能提供更大的表皮覆蓋面积。随着几周过去成长趋渐稳定,这些未完整携带 DNA 的“临时工”也逐渐被正常细胞所取代。

如何触发?是否在其他生物身上出现?无合成分裂机制仍有待探索

研究团队推测,无合成分裂或许主要仰赖生物成长时表皮张力的动态变化来控制。后续针对离子通道蛋白 Piezo1 的实验显示,刺激 Piezo1 后表皮细胞无合成分裂现象增强,反之抑制 Piezo1 基因表达后无合成分裂也随之减弱,团队还尝试透过不同密度饲养来控制幼鱼生长速度,同样也发现表皮细胞的无合成分裂率出现变化。

值得一提的是,团队还注意到 Piezo1 被抑制的幼鱼仍展现出正常的身体生长速度,了解基底层的前驱细胞(progenitor cell)是否因补偿机制增加分裂又或是其他适应性生长机制起作用,都将是未来有趣的研究方向。透过基因工程技术分析,或有助确定无合成分裂模式是否真正独立于细胞周期调节和检查点机制。

尽管还有许多问题留待解答,陈振辉助研究员认为,考量到斑马鱼属于脊椎动物,同样也是科学家经常用来研究人体疾病的模式生物,这种低成本、高灵活度的细胞分裂模式或许不只发生在斑马鱼表皮细胞上,只是目前对无合成分裂的了解仍相当有限,深入了解机制及将是未来的研究重点。

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参考资料:
1. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00790-4%C2%A0

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