Dev Cell 丨从 “黑洞”表型着手，首次发现果蝇多倍体细胞具有核周微管组织中心

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微管，作为一种细胞骨架成分，在多种生物学过程中起着重要作用。在分裂的细胞内，中心体作为微管组织中心 (MTOC) 调控微管生长及排列分布。但在分化的细胞中，中心体不再参与细胞分裂，细胞在特定位置形成非中心体的微管组织中心（non-centrosomal MTOC），由此来决定微管的排列方式以适应细胞分化后的特殊功能【1】。

多倍体细胞，作为一种特殊的分化细胞，它们通过改变细胞周期从而实现了DNA的不断复制，但却不经历细胞分裂时期【2】。在多倍体细胞中，微管是如何分布，如何被调控以及多倍体细胞周期和微管网络的关系，我们对此并不十分清楚。

2019年4月18日，来自清华大学生命科学学院José Carlos Pastor-Pareja课题组在 Developmental Cell 期刊上发表了题为 Spectraplakin Shot maintains perinuclear microtubule organization in Drosophila polyploid cells 的研究论文【3】。该论文发现了果蝇多倍体细胞具有核周微管组织中心，并揭示了微管调控蛋白Shot以及核内复制周期在果蝇多倍体细胞中，对于形成核周微管网络的重要作用。

José Carlos Pastor-Pareja课题组一直关注细胞外基质-基底膜的形成机制，果蝇多倍体化的脂肪体细胞是产生细胞外基质的主要场所【4,5】。IV型胶原蛋白是基底膜的主要成分，Pastor-Pareja实验室开展了全基因组水平下对影响胶原蛋白IV产生及分泌途径相关因子的筛选【6】。在本次筛选实验中，研究人员发现敲低Shot的脂肪体细胞形成与众不同的“黑洞”表型，胶原蛋白IV及其他基底膜组分不能正常释放到胞外，而是异常聚集在向内凹陷的细胞质膜内，此“黑洞”表型同时引起了多种细胞器及运输囊泡的异常聚集（图1）。

图1：敲低Shot的脂肪体细胞形成“黑洞表型”（图1a: 在shoti 的脂肪体细胞中，胶原蛋白异常聚集在细胞质膜向内的凹陷中；图1b: 人类历史上第一张黑洞照片，图片来自网https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole ；图1c: 细胞器及运输囊泡均在“黑洞”“处发生异常聚集）

研究者发现Shot作为重要的微管调控蛋白【7】，定位在脂肪体细胞的细胞核周围，同时发现微管在多倍体化的细胞核周围形成紧密绕核的微管网络 （图2a），通过电镜，体外实验，活细胞成像等技术，证明了在果蝇多倍体细胞中存在活跃且高度动态的核周微管组织中心。有趣的是，在敲低Shot的表达水平后，微管网络不再环绕细胞核，而是在核周一点形成异常聚集的微管组织中心 （图2b），研究者认为这正是引起“黑洞”形成的根本原因。进一步的实验表明，这个异常聚集的微管组织中心是通过微管马达蛋白Kinesin介导的微管滑动所形成。

图2：多倍体的脂肪体细胞中核周微管网络以及shoti引起的微管异常聚集

与此同时，Shot的缺失使多倍体细胞形成类似于分裂沟的细胞质膜向内凹陷的表型，说明多倍体细胞的有丝分裂进程可能被部分激活。此外，在敲低细胞周期调控因子的多倍体细胞中，核周微管网络不能正常形成。而在由二倍体诱导形成的多倍体细胞中能够形成核周微管组织中心，从而进一步证实了多倍体的核内复制周期与核周微管网络的关系：核内复制周期是形成核周微管网络的必要条件，同时也是充分条件，即核内复制周期足以促进形成核周微管网络。

此外，研究者还进一步发现了其他核周微管组织中心的组分并提出一种新型“非中心体-微管组织中心”的层状结构。微管切割蛋白Kat-60L1将已形成的微管切割成小片段，微管负极结合蛋白Patronin能够与其负端结合并稳定，从而为微管生长提供模板，再通过Shot与核膜蛋白Msp300, Klar和Koi的相互作用将微管锚定到核膜，从而形成核周微管组织中心 （图3）。

图3：“核周微管组织中心”形成模型以及Shot对其重要的维持作用

综上所述，本项研究揭示了多倍体化进程与核周微管网络的关系，发现了Shot及其他各组分对于形成和维持核周微管网络的重要作用。

据悉，清华大学生命学院José Carlos Pastor-Pareja研究员为本文的通讯作者，清华大学生命学院PTN项目博士生孙天慧为本文第一作者。清华大学生命学院梁鑫课题组和医学院倪建泉课题组共同合作完成了本项课题。

关于José Carlos Pastor-Pareja 实验室：

http://joselab.life.tsinghua.edu.cn

图1：清华大学生命学院José Carlos Pastor-Pareja课题组

原文链接：

https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(19)30238-2

制版人：珂

1. Sanchez, A.D., and Feldman, J.L. (2017). Microtubule-organizing centers: from the centrosome to non-centrosomal sites. Curr Opin Cell Biol 44, 93-101.

2. Lee, H.O., Davidson, J.M., and Duronio, R.J. (2009). Endoreplication: polyploidy with purpose. Genes Dev 23, 2461-2477.

3. Sun, T., Song, Y., Dai, J., Mao, D., Ma, M., Ni, J.Q., Liang, X., P., Pastor-Pareja, J.C. (2019). Spectraplakin Shot maintains perinuclear microtubule organization in Drosophila polyploid cells. Dev Cell (in press).

4. Pastor-Pareja, J.C., and Xu, T. (2011). Shaping cells and organs in Drosophila by opposing roles of fat body-secreted Collagen IV and perlecan. Dev Cell 21, 245-256.

5. Dai, J., Estrada, B., Jacobs, S., Sanchez-Sanchez, B.J., Tang, J., Ma, M., Magadan-Corpas, P., Pastor-Pareja, J.C., and Martin-Bermudo, M.D. (2018). Dissection of Nidogen function in Drosophila reveals tissue-specific mechanisms of basement membrane assembly. PLoS Genet 14, e1007483.

6. Ke, H., Feng, Z., Liu, M., Sun, T., Dai, J., Ma, M., Liu, L.P., Ni, J.Q., and Pastor-Pareja, J.C. (2018). Collagen secretion screening in Drosophila supports a common secretory machinery and multiple Rab requirements. J Genet Genomics.

7. Voelzmann, A., Liew, Y.T., Qu, Y., Hahn, I., Melero, C., Sanchez-Soriano, N., and Prokop, A. (2017). Drosophila Short stop as a paradigm for the role and regulation of spectraplakins. Semin Cell Dev Biol 69, 40-57.

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