神经系统发育期细胞不对称分裂机制
符兆英,王亚萍
(延安大学医学院医学系,陕西延安 716000)
摘要:细胞不对称分裂产生两个不同命运的子细胞,是细胞多样性形成的基础。果蝇周围神经系统感觉刚毛由一个前体细胞按固定的程序不对称分裂而形成。膜相关蛋白Numb是细胞命运决定因子。在细胞有丝分裂期,Numb选择性地分布于细胞的一侧,在胞质分裂后则被分配于一个子细胞。Numb通过抑制跨膜受体Notch而发挥作用。Numb不对称分布由细胞极性分子控制。这些极性分子在细胞有丝分裂前即定位于细胞的一极。除了指导命运决定因子分布外,细胞极性分子还与其他一些因子协同作用调节纺锤体定向。纺锤体的排列方向必须与命运决定因子的分布一致,才能保证后者只被分配到一个子细胞中去。果蝇中枢神经系统的发育起始于成神经细胞(NB)从神经外胚层的向下离层。离层后的NB沿着与上皮细胞平面垂直的方向以干细胞样方式分裂产生一个较大的位于顶部的NB和一个较小的位于底部的神经节母细胞(GMC)。NB可沿顶-底轴以干细胞样方式继续分裂,而GMC则只分裂一次产生两个神经元或胶质细胞而不再分裂。NB继承了上皮细胞的顶-底极性,位于其顶部的细胞极性分子Bazooka,DmPAR6和DaPKC使Inscuteable (Insc)蛋白,Insc的伙伴分子(Pin)和G蛋白亚单元Gαi积聚于细胞顶部皮层而建立NB的顶部极性。顶部6分子复合体进而调节细胞命运决定因子及其衔接蛋白在细胞底部定位,其中包括Prospero,prospero mRNA,Staufen,Miranda,Numb和Numb伙伴分子(Pon)。底部分子在NB分裂后被分配到GMC。Prospero是转录调节蛋白,也是唯一已确定的NB不对称分裂决定因子;prospero mRNA起补充Prospero蛋白的作用;Staufen是RNA结合蛋白,帮助prospero mRNA定位;Miranda是引导Prospero和Staufen定位的衔接蛋白;Pon 结合于Numb并使之定位;Numb在NB不对称分裂中的作用尚不清楚。和周围神经系统一样,NB纺锤体也必须准确定向,此定向亦由顶部分子调节。顶部6分子均不可少,而Insc是其中最主要的。G蛋白信号传导在将细胞极性信息转变成命运决定因子分布和纺锤体定向中起着重要作用。越来越多的证据表明,一些参与无脊椎动物细胞不对称分裂的因子在脊椎动物中亦起作用。哺乳类的果蝇Numb同源分子m-Numb即是一个很好的例子。和果蝇Numb一样,m-Numb在细胞不对称分裂时亦分配到一个子细胞并决定该细胞命运。然而,m-Numb在脊椎动物神经系统发育中的作用远比在果蝇中要复杂。还需要做进一步的工作,以理解脊椎动物细胞不对称分裂机制。
关键词:细胞不对称分裂;神经系统;Numb;Prospero;PAR蛋白
中图分类号:Q28; R74 文献标识码:A
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基金项目: 通讯作者:符兆英 作者简介:符兆英(1969-),男,陕西佳县人,教授,硕导,从事神经科学与免疫学研究. E-mail: 联系电话:0911-2414489
Mechanisms of asymmetric cell divisions during nervous system development
FU Zhao-ying, WANG Ya-ping.
(Department of Medicine, Medical College of Yanan University, Yan’an 716000 China)
Abstract: Asymmetric cell division produces two cells with different fates, and is essential to the generation of cell diversity. The sensory bristle of Drosophila peripheral nervous system develops from a single precursor cell that undergoes a stereotyped pattern of asymmetric cell divisions. Membrane associated protein Numb is the cell fate determinant in these cell divisions. During mitosis of each cell division, Numb is preferentially distributed to one side of the cell and is segregated to one of the two daughter cells after cytokinesis. Numb functions by inhibiting the transmembrane receptor Notch. The asymmetric distribution of Numb is controlled by the cell polarity molecules which accumulate in the appropriate pole of the cell before mitosis. Apart from regulating the location of cell fate determinant, the cell polarity molecules, in concert with some other factors, also direct the orientation of mitotic spindle so that it is well coordinated with the directional distribution of cell fate determinant. This guarantees that the cell fate determinant is correctly segregated to only one daughter cell. The central nervous system of Drosophila originates in the basal delamination of neuroblasts (NBs) from the neuroectoderm. The delaminated NBs divide perpendicularly to the epithelial plane and in a stem cell-like manner to produce a larger apical NB and a smaller basal ganglion mother cell (GMC). While NBs may undergo repeated A-B oriented stem cell-like divisions, each GMC divides only once to produce two neurons or glia and stop dividing. NB inherits its apical-basal polarity from the epithelium from which it is delaminated. The apically localized proteins Bazooka (Baz), DmPAR6 and DaPKC recruit Inscuteable (Insc) protein, partner of Insc (Pin), and a subunit of G protein, Gαi to the apical cell cortex and establish the apical polarity of NB. The apical six-molecule complex in turn regulates the basal localization of cell fate determinants and their adapter proteins, including Prospero, prospero mRNA, Miranda, Staufen, Numb, and partner of Numb (Pon). After NB division, these basal molecules are segregated into GMC. Prospero is a trascription factor and is the only defined cell fate determinant in NB asymmetric cell division; prospero mRNA seems to serve as a back-up system for Prospero protein; Staufen is a RNA-binding protein and helps to guide prospero mRNA localization; Miranda is an adapter protein that anchors both Prospero and Staufen to the basal cell cortex; Pon binds to and localizes Numb; Surprisingly, the function of Numb is not clear here. As in the periphery nervous system, the axis of spindle also needs to be correctly oriented and this is done by the apically localized molecules as well. While all six molecules are indispensable, Insc is both required and sufficient for the apical-basal arrangement of the mitotic spindle. G protein signaling plays an important role in interpreting cell polarity into determinant distribution and spindle orientation. There is increasing evidence that some elements of invertebrate asymmetric cell divisions also work in vertebrates. The mammalian homolog of Dosophila Numb (m-Numb) is one of the best examples. Like Dosophila Numb, m-Numb is also preferentially segregated to one daughter cell during asymmetric cell divisions and determines the fate of that cell. However, its functions in vertebrate nervous system development are more complicated than in Drosophila. Further work needs to be done to better understand the mechanisms of vertebrate asymmetric cell divisions.
Key words: asymmetric cell division; nervous system; Numb; Prospero; PAR proteins
细胞不对称分裂(asymmetric cell division)指母细胞分裂产生两个具有不同命运的子细胞,是细胞多样性形成的基础。细胞不对称分裂有内在性和外在性机制。内在性机制指母细胞分裂时胞质中决定细胞命运的蛋白质和/或核酸不对称地分布于细胞的一侧,并与细胞分裂的方向一致,故细胞分裂后只有一个子细胞可获得这些命运决定因子;或者是母细胞分裂时纺锤体或中体偏离细胞中央,故分裂后两个子细胞大小不等。外在性机制指两个子细胞各自与其周围细胞相互作用,或两个子细胞间相互作用,从而获得不同的增殖与分化信号。近七八年来,对模型生物如细菌、酵母、线虫和果蝇细胞不对称分裂机制的研究取得了一系列有意义的成果,并发现细胞不对称分裂机制在不同种生物间有保守性[1,2]。本文综述了迄今研究最为深入的果蝇Drosophila melanogaster神经系统发育期的细胞不对称分裂机制及模型生物细胞不对称分裂因子的同源分子在脊椎动物神经系统细胞不对称分裂中的作用。
1 果蝇周围神经系统细胞不对称分裂机制
1.1 感觉器官形成于细胞不对称分裂 果蝇周围神经系统感觉器官――感觉刚毛(sensory bristle),由感觉器官前体细胞(sensory organ precursors, SOPs)不对称分裂形成[3]。pⅠ(precursor one)首先在表皮细胞平面内沿前后(anterior-posterior, A-P)方向不对称分裂产生pⅡa和pⅡb两个子细胞,pⅡb在前,pⅡa在后。随之,pⅡb从表皮细胞离层(delamination),并在表皮细胞平面下沿着顶底(apical-basal, A-B)方向,不对称分裂为位于顶部的较大的pⅢb细胞和位于底部的较小的感觉器官胶质细胞。接着pⅡa又在表皮细胞平面内沿A-P轴不对称分裂为一个在前的柄(shaft, Sf)细胞或毛(hair)细胞,以及一个在后的窝(socket, So)细胞。最后,pⅢb再沿A-B轴不对称分裂产生一个位于顶部的鞘(sheath,Sh)细胞和一个位于底部的神经元。而由pⅡb分裂产生的胶质细胞,则随神经元轴突的延伸,移行离开了感觉刚毛细胞簇。
1.2 Numb是SOP谱系细胞不对称分裂决定因子 Numb是一种膜相关蛋白,其氨基端有一磷酸酪氨酸结合(PTB)域。在pⅠ细胞中,Numb起初是均匀分布的,在pⅠ有丝分裂的前期与中期,Numb不对称地分布于细胞的一侧形成新月体,在胞质分裂时即被分配到一个子细胞中去,获得Numb的子细胞成为pⅡb细胞,而另一个细胞则成为pⅡa细胞[4]。Numb在pⅡb,pⅡa,和pⅢb有丝分裂期间,亦形成新月体呈不对称分布,并随pⅡb分裂被分配于胶质细胞,随pⅡa分裂被分配于Sf细胞,随pⅢb分裂被分配到神经元[3,5]。遗传分析发现[4,5],numb功能缺失突变时,上述细胞均失去不对称分裂特性,pⅠ分裂产生两个pⅡa,pⅡa产生两个So,pⅡb/pⅢb产生两个Sh;另一方面,当numb过度表达,或在另一个子细胞中异位表达时,结果恰好相反。以上发现表明,Numb是SOP谱系细胞不对称分裂的内在性决定因子。
1.3 Numb通过抑制Notch 而发挥作用 Notch是一种跨膜受体,普遍存在于果蝇和其他多细胞生物胚胎细胞,可接受胞外信号而控制细胞分化。Numb通过抑制Notch而决定细胞命运。SOP谱系细胞分裂时,Notch功能减低导致pⅡa转变为pⅡb,So转变为Sf,Sh转变为神经元,与numb过度表达相似。而活化型Notch的表达,则导致与上述相反的结果,与numb功能缺失突变的表现类似。上位遗传(genetic epistasis)实验发现,Notch的作用在numb下游。以上发现[6,7]说明,numb和Notch互为拮抗关系,Numb通过抑制Notch而发挥决定细胞不对称分裂的作用。
Numb抑制Notch的机制可能是通过α-衔接素(α-adaptin)介导Notch的细胞内化。α-衔接素是一种与细胞内化有关的蛋白质,可与Numb结合,在细胞内的分布与Numb一致并依赖于Numb。变异的α-衔接素不能与Numb结合而不再不对称分布,其结果的表现与numb功能缺失突变相似[8]。此外,Numb也可能是通过与Notch胞内部分直接结合而抑制其作用。体外研究发现,Numb氨基端PTB域可与Notch胞内结构域的RAM23区及羧基端序列结合;若PTB域缺失,则Numb不再能抑制Notch活性,尽管仍可不对称分布。
1.4 Tramtrack 是Notch下游的转录抑制因子 细胞命运的决定最终必须作用于基因表达的调控。Tramtrack(TTK)是一种锌指转录抑制因子,在Notch的下游作用,可抑制SOP谱系细胞向神经细胞方向分化,TTK功能缺失使感觉刚毛的支持细胞转变为神经元,而异位表达则导致相反的结果[9]。TTK自身活性的调控在翻译水平上,由反式作用蛋白Musashi(MSI)调控。MSI是一种RNA结合蛋白,可与TTK mRNA 3’端非翻译区(3’UTR)的顺式作用序列结合而抑制其翻译[10]。MSI蛋白在pⅡa和pⅡb细胞中均有表达,但对TTK mRNA的翻译抑制作用却只在pⅡb细胞中出现,说明pⅡa细胞中有一种机制抑制了其作用,这一机制很可能是Notch信号的作用。
1.5 细胞极性与命运决定因子定位和纺锤体定向 细胞命运决定因子在母细胞中的不对称分布必须与纺锤体排列的方向一致,才能保证在细胞分裂后被分配到一个子细胞中去。此外,感觉刚毛簇各细胞的空间排列位置都是固定的,所以,细胞命运决定因子还必须按相应的极性定位才能保障被一定位置上的子细胞继承。研究表明,细胞不对称分裂前,决定极性的分子首先在细胞一端的皮层(cell cortex)定位,确立细胞的极性,并指导命运决定因子的定向分布和纺锤体按一定方向旋转与排列。
SOP谱系起源于表皮细胞,表皮细胞呈A-B极性,其极性由位于顶部皮层的与线虫PAR (partioning defective)-3同源的Bazooka (Baz)蛋白,与线虫PAR-6同源的果蝇PAR-6 (DmPAR-6) 蛋白和果蝇非典型性蛋白激酶C(DaPKC)三种蛋白确立。pⅠ细胞分裂前,首先将A-B极性改建为A-P极性。其细节尚未搞清,但根据已有资料[11,12] 可提出如下模式:首先是7次跨膜受体Frizzled(Fz)接受细胞外信号,使Discslarge(Dlg)蛋白在pⅠ前部粘连连接(adherens junction, AJ)下方的皮层出现,接着Inscuteable(Insc) 蛋白伙伴分子(partner of Insc, Pin)与Dlg结合形成复合体,初步确立细胞极性。Dlg与Pin相互依存,并使更多的Dlg与Pin在细胞前部皮层积聚;Pin又与Fz协同作用,使Baz与DaPKC在pⅠ细胞后部的AJ下方定位,从而确立了 pⅠ细胞在表皮细胞平面上的A-P极性。然后,在Dlg-Pin和Baz的共同作用下,使Numb及其伙伴分子(partner of numb, Pon)在细胞前部定位,并使纺锤体按A-P方向排列。
以上各分子间作用的细节虽未搞清,但已知在Fz下游有Dishevelled蛋白和Flamingo蛋白[13] 作用;在Pin下游有G蛋白作用[14],G蛋白经受体非依赖机制活化传导信号。Gαi在pⅠ有丝分裂期与Pon和Numb一起定位于细胞前部,在 pⅠ分裂后被分配到pⅡb细胞。Pin蛋白的GoLoco模体与Gαi结合,使Gβγ 与Gαi 解离,并传导信号而发挥作用。若Gαi与Gβγ 缺失,细胞命运决定因子Numb不能正确定位,纺锤体不能正确定向。
pⅡb细胞分裂轴与pⅠ细胞分裂轴/表皮细胞平面垂直,即呈A-B极性。Insc在pⅡb中出现,并定位于细胞顶部而决定其A-B极性。Insc既指导细胞命运决定因子在pⅡb底部定位,又使纺锤体旋转成A-B方向[15]。Baz在pⅡb分裂期亦出现在细胞顶部,但Baz在pⅡb中只调节Pon/Numb在与其相反的一极即细胞底部定位,而不参与纺锤体定向[16]。
pⅡa细胞分裂轴与pⅠ一致,即仍呈A-P极性,但其极性并非由Fz,而是由果蝇E-钙黏素(DE-cadherin)与Catemin蛋白形成的复合分子调节。该复合体在pⅠ分裂后位于pⅡa与pⅡb的接触处,即pⅡa的前端,从而决定pⅡa有丝分裂纺锤体呈A-P方向排列[17]。Baz在pⅡa细胞中出现在胞体的前端,并指导Pon和Numb在与其相同而不是相对的一极,即细胞的前部定位[16]。
2 果蝇中枢神经系统细胞不对称分裂机制
2.1 成神经细胞的离层与不对称分裂 果蝇中枢神经系统起源于成神经细胞(neuroblast, NB)从神经外胚层的离层。NB从神经外胚层离层后,即在其平面下以干细胞样分裂方式沿A-B轴不对称分裂产生一个位于顶部的较大的NB和一个位于底部的较小神经节母细胞(ganglion mother cell, GMC);GMC沿A-B轴又分裂一次产生两个神经元或胶质细胞而不再分裂,而NB则以干细胞样方式继续分裂。
2.2 成神经细胞极性的建立与维持
离层的NB继承了神经外胚层细胞的A-B极性,在细胞顶端皮层有Baz,DmPAR-6和DaPKC三种蛋白形成的复合体。Baz具衔接(adapter)蛋白作用,在NB离层过程中,细胞间期末和有丝分裂前,Baz与Insc蛋白结合,使Insc锚定于NB顶端皮层。Insc 又与其伙伴分子Pin的氨基端结合,Pin的羧基端进而与G蛋白的α亚单元Gαi结合,从而在NB顶端皮层形成6分子复合体,确立和维持NB的A-B极性,并调节细胞命运决定因子定位和纺锤体定向。6种分子互相依赖,任一分子的功能缺失或变异,均会导致6分子复合体不能在NB顶部形成与维持和发挥功能[18~21,14]。
2.3 细胞命运决定因子的不对称分布 NB的不对称分裂由内在性机制,即细胞命运决定因子的不对称分布决定。细胞命运决定因子及其衔接蛋白在NB胞质分裂前聚集于NB底部皮层形成新月体,其中包括Miranda,Prospero,prospero mRNA,Staufen,Numb和Pon。NB分裂后这些底部分子被分配到GMC[22]。Miranda为衔接蛋白,是Prospero和Staufen在细胞底部皮层定位所必需的。Prospero是一种含同源域(homeodomain)的转录调节因子,可启动GMC特异性基因并关闭NB特异性基因,是NB不对称分裂的决定因子;在GMC中,Miranda很快被降解,而Prospero则进入胞核内调节转录。prospero mRNA并非决定GMC命运所必不可少的,其作用可能是当GMC中Prospero蛋白不足时进行翻译,以保证GMC中有足够的Prospero蛋白,因为GMC自身不能转录prospero mRNA。Staufen是一种RNA结合蛋白,其3′UTR可与prospero mRNA结合,引导prospero mRNA在NB中的分布。Pon亦为衔接蛋白,是Numb正确分布所必需的。值得一提的是,在SOP谱系中Numb是细胞不对称分裂的内在性决定因子,而在GMC中,其作用尚不明确。
细胞命运决定因子在NB中的不对称分布,依赖于顶部决定极性的分子。顶部分子缺失时,命运决定因子不能在细胞底部定位[18~21]。顶部分子调节命运决定因子不对称分布的机制尚不完全清楚,已报道的机制包括G蛋白活化信号传导和肿瘤抑制因子的作用。异三聚体G蛋白通常是与7次跨膜受体偶联通过接受细胞外信号而活化。但在NB,没有7次跨膜分子与G蛋白偶联,G蛋白是通过受体非依赖机制而活化的:Pin与GDP结合型Gαi结合,使Gβγ 游离而发挥信号传导作用[41]。肿瘤抑制因子Dlg,Scribble(Scrib)和Lethal-giant large(Lgl)亦参与了细胞命运决定因子定位的调节。Dlg,Scrib和Lgl在NB有丝分裂的前期与中期分布于细胞顶部皮层,为细胞命运决定因子在细胞底部定位所必需。Lgl,Scrib和Dlg功能缺失变异导致Prospero,Miranda,Numb和Pon等分子不能在NB底部皮层定位[23]。最近一篇报道指出,顶部极性分子中的aPKC可使Lgl磷酸化,进而调节底部分子的定位[39]。
2.4 纺锤体旋转定向与形态的不对称 NB起源于神经上皮,上皮细胞的分裂在水平平面上,而NB的分裂却沿着与水平平面垂直的方向,故有丝分裂纺锤体必须进行90º的旋转,成为A-B极性。用时相间隔绿色荧光蛋白(GFP)技术已观察到了纺锤体在NB有丝分裂中期的这种旋转[24]。纺锤体旋转定向受顶部极性分子的调节,任一分子功能缺失均使纺锤体不能正确定向。而Insc是纺锤体正确旋转定向的必需和充分条件:Insc功能缺失使纺锤体不能沿A-B轴定向;而当Insc在上皮细胞(正常情况下不表达Insc)中异位表达时,上皮细胞纺锤体亦旋转成A-B方向。顶部极性分子调节纺锤体旋转定向的机制与受体非依赖性G蛋白活化信号传导有关,即通过Pin与Gαi结合使Gβγ 游离而发挥作用。Gαi与Gβγ 功能缺失,导致纺锤体不能正确旋转定位 [14]。微管结合蛋白Cornetto蛋白参与了Insc对纺锤体定向的调节。Cornetto在NB有丝分裂的早期分布于胞质中,在晚期和后期分布于顶部皮层并与Insc结合。Cornetto既可与Insc结合,又可与微管结合,故可介导Insc对纺锤体的定向[25]。
NB不对称分裂时,不仅命运决定因子不对称分配,胞质分裂亦不等(即两个子细胞大小不一)。胞质不等分裂(unequal cell division)的原因是纺锤体中体(midbody)位置不居中,或纺锤体形态不对称[24,26]。用绿色荧光蛋白技术可观察到在有丝分裂的晚期,纺锤体顶部一侧的微管比底部一侧的长,从而使纺锤体中体偏向细胞底部一侧[24]。因胞质分裂沟的位置是由中体的位置决定的,故使两个子细胞大小不等。最近有2个关于胞质不等分裂机制的报道,其中一个指出[27],纺锤体形态的不对称和胞质不等分裂由位于顶部皮层的Baz/DaPKC和Pin/Gαi 两条平行途径控制。两条途径任一条单独作用已足以介导不对称的纺锤体和大小不等的子代NB,但若两条途径均缺失则导致胞质对等分裂。另一个报道指出[28],NB有丝分裂纺锤体形态的不对称是由肿瘤抑制基因Lgl,Scrib和Dlg控制的。Lgl,Scrib和Dlg变异导致纺锤体顶部变小底部变大。其结果是产生一个较小的NB和一个较大的GMC。
2.5 细胞周期对细胞不对称分裂的调控 细胞不对称分裂时命运决定因子定位和纺锤体定向均与细胞周期的时相密切相关,是什么机制或因子把细胞周期和细胞不对称分裂联系在一起的呢?已有报道指出[29],细胞分裂周期调控因子Cdc2可调节顶部极性分子如Insc在NB中的定位。尽管Cdc2并不是Insc在NB顶部聚集的始动因素,但却是维持Insc在NB顶部分布所必需的。Cdc2功能减弱(但并不中断有丝分裂)时,正常情况下在细胞顶部和底部不对称分布的因子均不能正确定位。
3 脊椎动物神经系统细胞不对称分裂机制
3.1 脊椎动物中Numb的分布与功能 在小鼠大脑皮层和大鼠视网膜均发现了与果蝇Numb (D-Numb)同源的分子――哺乳类Numb(m-Numb)[30,31],m-Numb与D-Numb在靠氨基端的一半具有约60%的同源性,其中包括了PTB域,而羧基端部分不同。小鼠和大鼠Numb均分布于分裂中神经上皮细胞的顶部皮层。如细胞沿A-P轴分裂,两个子细胞均可获得Numb;如细胞沿A-B轴分裂,则只有顶部子细胞可获得Numb。与此不同的是,在鸟类中发现的Numb同源分子分布于神经上皮细胞底部皮层,当细胞沿A-B轴分裂时,被分配与位至底部的子细胞。
m-Numb在果蝇NB和SOP中表达时,亦呈不对称分布,方式与D-Numb相同,并可补救内源性numb 缺失的表型。m-Numb在SOP中的过度表达,导致pⅡa 转变为pⅡb,与D-Numb过度表达的表型相同[30]。表明细胞不对称分裂决定因子在不同物种间有保守性。但Numb在脊椎动物中的作用并不像在果蝇中那样确定。小鼠神经上皮细胞垂直分裂时,顶部细胞获得Numb并维持神经上皮细胞特性,说明Numb有抑制其分化的作用[32]。但在转基因的哺乳类神经细胞系中,numb允许细胞向神经元分化[33]。而在转基因鸡中,numb允许某些神经上皮细胞向神经元分化却又抑制另一些神经上皮细胞向神经元分化。对这些矛盾现象的可能解释是Numb在神经上皮发育的不同阶段具有不同的作用。
有两个小组做了小鼠numb基因敲除实验。一个小组发现numb敲除小鼠比野生型小鼠前脑细胞较早表达神经元标志[32]。而另一组却得到了相反的发现,即numb敲除小鼠比野生型小鼠的后脑神经元分化推迟[34]。但两个小组的numb敲除小鼠均在约E11.5时死于神经系统发育异常。以上研究说明Numb在脊椎动物神经系统发育中有重要作用,但并不能确定Numb在细胞命运决定中起何作用。
最近有一个小组研究了Numb在小鼠大脑皮层神经前体细胞体外培养中不对称分裂时的作用[35]。研究人员对从胚胎鼠脑皮层分离得到的神经前体细胞在体外的第一次分裂进行了观察研究。首先发现神经前体细胞有3种分裂方式:P/P对称分裂产生2个子代前体细胞,P/N不对称分裂产生1个子代前体细胞和1个神经元,N/N对称分裂产生2个神经元。神经前体细胞对称分裂时,大部分呈Numb对称分布,不对称分裂时,大部分呈Numb不对称分布。numb敲除小鼠与野生型小鼠相比,呈不对称分裂的细胞明显减少。说明Numb可能是导致细胞不对称分裂的因子。当神经前体细胞进行P/N分裂时,约80%的细胞呈Numb不对称分布,约20%呈对称分布。在皮层发育早期阶段(E10)分离得到的前体细胞进行不对称分裂时,Numb呈对称分布;而在晚期阶段(E13)分离得到的前体细胞进行不对称分裂时,Numb呈不对称分布。说明Numb在神经系统发育的不同阶段具有不同的作用。当神经前体细胞进行N/N对称分裂时,Numb在约80%的细胞呈对称分布,在约20%的细胞呈不对称分布。当Numb对称分布时,大部分情况下2个子细胞形态相同/相似,而当Numb不对称分布时,多数情况下2个子细胞形态不同――有Numb的子细胞神经突起较长。说明Numb不对称分布不仅可影响子代细胞的种类或命运,还可影响子代细胞的亚型或形态。
3.2 其他同源分子在脊椎动物中的作用 PAR蛋白1-6和aPKC首先发现于线虫胚胎细胞,是线虫胚胎细胞极性形成和不对称分裂所必需的因子。在果蝇上皮细胞顶部皮层发现的线虫PAR-3,PAR-6和aPKC同源分子Baz,DmPAR-6和DaPKC是维持上皮细胞A-B极性所必需的,并在果蝇中枢和周围神经系统发育时细胞极性形成与维持和细胞命运决定因子不对称分布中起着必不可少的作用;在哺乳类动物细胞中亦发现了与线虫PAR-3,PAR-6和aPKC同源的分子:mPAR-3、mPAR-6和MaPKC,并亦有维持细胞极性的作用[36,37],说明这些分子在不同种生物间有保守性。在人类和小鼠的神经组织和体外培养细胞中,mPAR-3,mPAR-6和MaPKC与建立细胞极性的分子GTP酶Rac1和Cdc42形成复合体,或与细胞粘连连接分子结合而位于细胞顶部皮层,确立和维持细胞的A-B极性。MaPKC和mPAR-6与哺乳类Lgl(m-Lgl)形成多分子复合体,MaPKC使m-Lgl磷酸化,从而调节细胞命运决定因子的不对称分布[40]。
最近,在小鼠中发现了果蝇Pin的同源分子。小鼠Pin与果蝇Pin的氨基酸序列和分子结构非常相似,并在脑室区细胞中有高表达。若使小鼠Pin在果蝇胚胎中表达,它可定位于NB顶部皮层,并可与Insc结合,起果蝇Pin的作用[38]。
4 结语
果蝇中枢神经系统和周围神经系统感觉刚毛分别由NB和SOP经细胞不对称分裂形成,是研究细胞不对称分裂很好的模型。 在细胞不对称分裂前的细胞间期,细胞通过内在和外在机制建立并维持一定的极性,进入有丝分裂期后,在极性分子的作用下,细胞命运决定因子在胞体的一侧不对称分布,同时纺锤体亦按相应的方向旋转/排列,故在胞质分裂后,两个子细胞获得不同的"遗赠"而具有不同的命运或归宿。此外,在NB和SOP谱系pⅡb分裂时,纺锤体的形态也不对称,故胞质分裂后,两个子细胞大小亦不相等。果蝇神经系统细胞不对称分裂的大环节已经明了,但不少细节尚需进一步研究,比如细胞极性分子是如何指导命运决定因子不对称分布和纺锤体定向的?在命运决定因子定位和纺锤体定向中细胞骨架系统起何作用?命运决定因子是如何最终决定细胞命运(调控基因转录)的?GMC的分裂是如何调控的?已在脊椎动物中发现了果蝇Numb,Pin和线虫PAR蛋白的同源分子,但这些分子在脊椎动物中的作用比较复杂,机制亦未搞清。在模型生物细胞不对称分裂机制已初步理解的基础上,今后应加强对脊椎动物包括人类神经系统细胞不对称分裂机制的研究。
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