Science:细胞器分配决定着干细胞命运
生物谷 · 2017/02/15
当大多数细胞发生分裂时,它们仅是产生更多的自己。但是负责修复受损组织的干细胞面临着一种选择:它们能够产生更多的新的干细胞,或者分化为皮肤细胞、肝细胞或身体内几乎任何一种特定细胞类型。在一项新的研究中,来自美国洛克菲勒大学的研究人员发现这种关键性的决定取决于作为微小器官样结构的细胞器是否在分裂中的干细胞内正确地分配。


图片来自洛克菲勒大学哺乳动物细胞生物学与发育实验室/Science

当大多数细胞发生分裂时,它们仅是产生更多的自己。但是负责修复受损组织的干细胞面临着一种选择:它们能够产生更多的新的干细胞,或者分化为皮肤细胞、肝细胞或身体内几乎任何一种特定细胞类型。

在一项新的研究中,来自美国洛克菲勒大学的研究人员发现这种关键性的决定取决于作为微小器官样结构的细胞器是否在分裂中的干细胞内正确地分配。相关研究结果发表在2017年2月3日那期Science期刊上,论文标题为“Coupling organelle inheritance with mitosis to balance growth and differentiation”。

论文通信作者、洛克菲勒大学罗宾-肯莫斯-诺伊斯坦哺乳动物细胞生物学与发育实验室(Robin Chemers Neustein Laboratory of Mammalian Cell Biology and Development)主任Elaine Fuchs教授说,“为了让身体的组织正确地发育和自我维持,干细胞的自我更新和分化必需保持精确平衡。我们的实验提示着细胞器(在这项研究中,指的是过氧物酶体)的定位和分配在控制这种微妙平衡中发挥着一种意想不到的作用。”

不对称分裂

作为皮肤的外部,表皮给身体提供一种保护性屏障,而干细胞位于它的内部深处。在发育期间,干细胞发生不对称分裂,产生两个子细胞:一个子细胞保持自我更新的能力,仍然停留在内部,而另一个子细胞发生分化,向往迁移,变成表皮外层的一部分。

通过研究发育中的小鼠皮肤,论文第一作者Amma Asare设计出一种方法来鉴定协助指导保持干性的子细胞和发生分化的子细胞处于平衡的基因。一种特定的蛋白Pex11b引起了她的关注。它与过氧物酶体膜结合。过氧物酶体是一种协助食物释放能量的细胞器。

Asare证实这种蛋白的作用机制似乎是确保过氧物酶体位于合适的位置,因此它们能够在两个子细胞之间分配。在缺乏Pex11b的干细胞中,过氧物酶体不能均匀地分配,在一些情形下,一个子细胞获得全部的过氧物酶体,而另一个子细胞则没有获得任何过氧物酶体。对于那些过氧物酶体分布受到破坏的干细胞而言,细胞分裂需要花费更长时间,而且作为分离子细胞遗传物质的结构,纺锤体并不能够正确地对齐。

Asare发现剔除干细胞中的Pex11b的最终结果是更少的子细胞能够分化为成熟的皮肤细胞。

延迟改变命运

这些研究人员随后利用一种复杂的实验室技术移动干细胞中的过氧物酶体,获得的效果也是一样的。Asare说,“如果在细胞分裂期间,过氧物酶体位于错误的位置,那么不论它们如何到达那里,这都会延迟这个分裂过程。”

这种影响对小鼠而言是非常显著的:如果过氧物酶体定位在干细胞中受到破坏,那么小鼠胚胎不再能够产生正常的皮肤。

Fuchs说,“尽管已有一些证据提示着细胞器(包括产生能量的线粒体)分布能够影响细胞分裂的结果,但是我们首次证实这种现象是正确的干细胞行为和组织形成不可或缺的。”

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    For normal tissue structure and function, cells exert strict control over growth versus differentiation. Poor wound healing and aging can result from too little proliferation. Conversely, the development of cancer can involve excessive cell growth. Asare et al. looked for regulators that balance proliferation and differentiation in the epidermis (see the Perspective by Gruneberg and Barr). They observed differences in the transcript profile of epidermal progenitors, their differentiating progeny, and epidermal cancers. Epidermal progenitors that were deficient in the peroxisome-associate protein Pex11b did not segregate peroxisomes properly among dividing cells. This led to a delay in mitosis that perturbed polarized divisions. These events skewed daughter cell fate and resulted in a defective skin barrier. Thus, peroxisome inheritance appears to play a role in normal mitosis and cell differentiation.

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