細胞分裂是生物體的基礎。但科學家仍在努力充分解釋它在胚胎發育早期階段是如何發揮作用的。尤其是產卵動物。德勒斯登工業大學卓越生命物理集群 (PoL) 布魯格斯小組的研究人員發現了一種以前未知的機制，該機制允許大胚胎細胞分裂而不形成完整的收縮環，長期以來，這被認為對該過程至關重要。他們的研究結果發表在 自然透過展示細胞骨架的組成部分和細胞內結構的物理特性，挑戰傳統的教科書模型。細胞（或細胞質）如何透過「輪」機制協同工作來驅動分裂？
在許多生物中，細胞透過在細胞中心形成由肌動蛋白蛋白製成的環來分裂。這種結構就像拉繩一樣收緊。透過將細胞擠壓成兩個子細胞。雖然這個抽繩袋模型應用廣泛，但它並不能解釋物種的分裂，尤其是大型胚胎細胞，包括鯊魚、鴨嘴獸、鳥類和爬行動物。在這些情況下，細胞的巨大尺寸和大卵黃囊的存在阻止了肌動蛋白環完全閉合。多年來，研究人員一直想知道這些大細胞如何分化。
「這是因為胚胎細胞中有一個很大的卵黃。因此存在幾何限制。末端鬆散的收縮帶如何穩定並產生足夠的力來分裂這些大細胞？」艾莉森·基庫斯 (Alison Kickuth) 問道，她是卓越生命物理學集群 (PoL) 布魯格斯小組的一名剛畢業的博士生，也是該研究的主要作者。該團隊的實驗報告於 自然給出答案。
斑馬魚揭示微管的穩定作用
為了進行研究，研究人員轉向斑馬魚胚胎，這種胚胎發育迅速，並且在早期階段仍然具有大的、可育的卵黃胞。艾莉森使用雷射精確切割肌動蛋白條，發現即使在被切斷後，肌動蛋白條帶仍繼續向內移動。這表明它沿其長度而不是僅在末端受到支撐。
研究團隊也指出，當肌動蛋白條被切割時，細胞骨架的另一個重要部分微管會彎曲並展開。這些纖維似乎有助於穩定電纜，同時保持電纜牢固。為了測試它們的重要性，研究人員用兩種方式破壞了微管。它們催化化學解聚。 （有效阻止新微管的形成。）它們透過插入微小的油滴來幹擾它們。成為障礙 在這兩種情況下，肌動蛋白條在沒有微管的情況下都會塌陷。事實證明，這些結構在能帶形成和收縮過程中提供了重要的機械和訊號支持。
細胞質的硬度在細胞週期中會改變。
隨著細胞在細胞週期中的進展，細胞骨架會自然地重組。此週期包括 DNA 分離時的有絲分裂期（M 期）和細胞生長並複製 DNA 時的間期。 DNA 分離後，稱為紫苑的大型微管結構在整個細胞質中擴展。在間期期間，這些紫苑有助於確定肌動蛋白帶的形成位置。這標誌著未來的劃分區域。
這是因為微管可以影響細胞質的硬度。研究人員隨後詢問 Aster 是否可以透過硬化細胞內部來幫助錨定肌動蛋白帶。為了測量這一點，他們將磁珠放入細胞中並追蹤磁珠在磁力作用下如何移動。這使他們能夠評估不同階段細胞質硬度的變化。細胞週期的
他們發現細胞質在分裂間期變得更硬。這形成了一個支撐支架，有助於穩定肌動蛋白帶。然而，在 M 期，細胞質變得更加流動。這使得條帶可以在兩個新生細胞之間移動。這些硬度和流動性之間的轉變在激活分裂中發揮關鍵作用。
隨著時間的推移，機械輪子驅動著部門。
仍然存在一個謎團。如果細胞質在 M 期變得更加流動，肌動蛋白帶如何防止塌陷？隨著時間的推移，透過追蹤帶的末端，團隊發現它在 M 階段收縮時不穩定，但它並沒有完全失敗。但早期胚胎細胞週期的快速節奏「挽救」了一些收縮。
當細胞進入下一階段並且星體重組。細胞質再次硬化並穩定條帶。然後，該帶在下一個流體階段繼續向內移動。這種暫時不穩定然後重新穩定的模式不斷重複。在幾個細胞週期中，直到細胞完全分裂。這個過程就像「機械棘輪」一樣，在不使用密封收縮環的情況下逐漸推進分裂。相反，劃分是在一輪中完成的。細胞透過改變細胞質的物理狀態逐步實現這一點。
研究作者 Jan Brugués 強調：「顳棘輪機制將改變我們對胞質分裂如何運作的看法。」研究人員提出，對於分裂速度快、傳統模型無法依賴的非常大的胚胎細胞來說，這種機制是一種有效的解決方案。
「斑馬魚是一個有趣的例子。這是因為其胚胎細胞中細胞質的分裂本質上是不穩定的。為了克服這種不確定性，它們的細胞會快速分裂。它透過在穩定和流態化之間交替直至分裂完成，在幾個細胞週期中誘導條帶通透性，」艾莉森強調了這些發現。
這項工作引入了一個新的框架來理解大型卵黃胚胎中的細胞分裂，並且可以應用於多種類型的產卵。它也強調了細胞質材料特性的精確變化在調節細胞過程中的重要性。這些見解可能會影響科學家研究各種生物體早期發育的方式。
資助：這項研究得到了 Deutsche Forschungsgemeinschaft（DFG，德國研究基金會）根據德國卓越策略 – EXC-2068-390729961 – 德累斯頓工業大學生命物理卓越集群的支持。研究人員也得到了大眾汽車「Life」撥款編號 96827 的支持。
