A組在轉(zhuǎn)型生物分子的名古屋大學(xué)的東京大學(xué)研究所(ITbM)，在孟德爾學(xué)院和肯塔基大學(xué)的植物生物學(xué)家，報道在雜志的美國國家科學(xué)院學(xué)報上他們發(fā)現(xiàn)植物卵細(xì)胞在受精后如何最初失去骨骼模式，并由細(xì)胞中的兩個主要細(xì)胞骨架成分，微管(MTs)和肌動蛋白絲(F-肌動蛋白)重組。通過活細(xì)胞成像，該小組能夠可視化植物受精卵細(xì)胞如何經(jīng)歷不對稱細(xì)胞分裂，這是決定植物體軸的原因。

開花植物形成各種器官，例如花，葉，根和莖，其沿其身體軸線發(fā)展。由于許多植物呈圓柱狀，最重要的軸變成頂端 - 基部(莖 - 根)軸，即頂端(頂部)發(fā)育成芽，包含花，莖和葉，以及基部(底部)部分)成長為根。作為植物起源的受精卵細(xì)胞(受精卵)從其第一次細(xì)胞分裂開始建立植物的體軸。

在細(xì)胞分裂發(fā)生之前，受精卵內(nèi)的內(nèi)容物變得不均勻(極化)。這導(dǎo)致不等(不對稱)細(xì)胞分裂，在頂部產(chǎn)生相對小的細(xì)胞而在底部產(chǎn)生大細(xì)胞。

“雖然受精卵的極化和不對稱細(xì)胞分裂形成體軸是藻類，苔蘚和開花植物中常見的現(xiàn)象，但細(xì)胞極性的起源以及細(xì)胞分裂不對稱的發(fā)生方式至今仍是一個謎。” Minako Ueda，名古屋大學(xué)ITbM講師，該研究的負(fù)責(zé)人。“這很困難的原因是因為沒有一種有效的方法來觀察細(xì)胞分裂的動態(tài)，使用隱藏在植物深處的活體受精卵，”她繼續(xù)道。

2015年，名古屋大學(xué)的Daisuke Kurihara博士研究小組報告了一種可視化模擬植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)生物胚胎生長的技術(shù)。Ueda，Kurihara和他們的同事提高了這種成像技術(shù)的分辨率，以便能夠觀察細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“這項研究中最困難的部分是能夠確定合適的標(biāo)記來觀察植物細(xì)胞的內(nèi)容，”Ueda解釋說。“在肯塔基大學(xué)的Tomokazu Kawashima博士和孟德爾研究所的Frederic Berger教授的幫助下，我們嘗試了基于綠色熒光蛋白(GFP)的彩色標(biāo)記的不同組合，以在細(xì)胞內(nèi)的不同組分之間形成對比。我們小組的研究生Yusuke Kimata進(jìn)行了實驗，觀察受精后卵細(xì)胞實際發(fā)生的情況。“

該小組首次成功實現(xiàn)了植入卵細(xì)胞的細(xì)胞骨架如何在受精后被分解，然后重組以在細(xì)胞中產(chǎn)生極性，最終導(dǎo)致不對稱的細(xì)胞分裂。植物細(xì)胞含有兩種主要的細(xì)胞骨架，即微管(MT)和肌動蛋白絲(F-肌動蛋白)，它們有助于細(xì)胞保持其形狀，提供機械支持并使細(xì)胞分裂和移動。Ueda和Kimata使用MTs和F-actin的熒光標(biāo)記來觀察它們在受精前后的變化情況，以及兩種纖維如何在受精卵的極化和不對稱分裂中發(fā)揮作用。

“從我們的活細(xì)胞成像實驗中，我們觀察到最初沿未受精卵細(xì)胞的上下軸排列的MT，在受精時解體，導(dǎo)致細(xì)胞收縮，”Ueda說。“在接近3個小時后，受精卵頂部出現(xiàn)了一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從那里凸出細(xì)胞伸長出細(xì)胞。這個環(huán)結(jié)構(gòu)在細(xì)胞伸長的同時被保留下來。最后，MT在大約18小時后聚集在細(xì)胞核周圍并且分發(fā)了染色體，最終在大約22小時后導(dǎo)致細(xì)胞分裂，“她繼續(xù)說道。“當(dāng)我們看到這部電影時，我們感到非常興奮，因為這個事件與我們之前看到的完全一樣。

該小組隨后通過實時成像技術(shù)研究了F-肌動蛋白的動力學(xué)。以與MT類似的方式，受精時破壞未受精卵細(xì)胞中F-肌動蛋白的初始組裝。

“F-actin的不同之處在于它們在受精后沿著上下軸排列，并聚集在細(xì)胞尖端的帽狀結(jié)構(gòu)中，”Ueda描述道。“我們能夠觀察到卵細(xì)胞受精后MT和F-肌動蛋白的初始組裝被破壞，并且生長的受精卵逐漸將這些纖維以與卵細(xì)胞不同的模式對齊。這是第一次可視化不對稱細(xì)胞分裂的實時事件，我們能夠看到其他事件，如受精卵的細(xì)胞伸長和細(xì)胞核的遷移。

該小組不僅成功地觀察了合子極化和不對稱細(xì)胞分裂的實時事件，還能夠量化細(xì)胞骨架的動態(tài)模式(即分別形成環(huán)結(jié)構(gòu)和縱向陣列的MT和F-肌動蛋白) 。東京大學(xué)的圖像分析專家Takumi Higaki博士和Seiichiro Hasezawa教授進(jìn)行了這些詳細(xì)的量化實驗。

該小組假設(shè)MT和F-肌動蛋白在受精卵中發(fā)揮不同的作用，因為它們在細(xì)胞中的排列不同。為了研究它們的特定作用，他們使用每種蛋白質(zhì)的抑制劑來觀察它們對受精卵極化和不對稱細(xì)胞分裂的影響。

“通過實時成像，我們看到MT的抑制阻礙了合子伸長，導(dǎo)致形成圓形和腫脹的受精卵頭形狀，”Ueda說。“另一方面，當(dāng)我們抑制F-肌動蛋白時，細(xì)胞核無法向上移動并保持在受精卵中心附近。因此，細(xì)胞分裂發(fā)生在細(xì)胞核的位置，導(dǎo)致幾乎對稱的細(xì)胞分裂，生成的細(xì)胞大小相似的地方。“

該研究結(jié)果表明，MTs負(fù)責(zé)沿著上下軸伸展受精卵，而F-肌動蛋白在將細(xì)胞核移向受精卵頂部起作用，使其為不對稱細(xì)胞分裂做好準(zhǔn)備。

“我們能夠通過活細(xì)胞成像顯示，卵細(xì)胞受精后細(xì)胞發(fā)生極化，MT和F-肌動蛋白在誘導(dǎo)不對稱細(xì)胞分裂形成植物體軸方面發(fā)揮作用，”Ueda說。“我們希望能夠通過觀察植物受精卵中的更多成分來找到導(dǎo)致極化的原因以及正在細(xì)胞中分布的成分的確切起源。我們設(shè)想這項工作將導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)開花植物如何進(jìn)化成形他們目前的結(jié)構(gòu)和形狀。“