Nature发现了一种令人惊讶的新方式：细胞如何分裂的新发现对教科书提出了挑战

细胞分裂是生命的基础，然而科学家们一直在努力完全解释它在胚胎发育的早期阶段是如何工作的，特别是在产卵动物中。来自德国德累斯顿理工大学卓越生命物理集群（PoL） brugue小组的研究人员现在已经确定了一种以前未知的机制，这种机制允许大型胚胎细胞在不形成完整收缩环的情况下分裂，而长期以来人们一直认为这是该过程的必要条件。他们的研究结果发表在《自然》杂志上，通过展示细胞骨架的组成部分和细胞内部（或细胞质）的物理特性如何通过“棘轮”机制共同推动分裂，挑战了传统的教科书模型。

在许多生物体中，细胞通过在细胞的中点建立一个由肌动蛋白组成的环来分裂。这种结构像拉绳一样收紧，将细胞挤压成两个子细胞。虽然这种钱袋模型适用范围很广，但它并不能解释具有特别大的胚胎细胞的物种的分裂，包括鲨鱼、鸭嘴兽、鸟类和爬行动物。在这些情况下，细胞的大小和大卵黄囊的存在阻止了肌动蛋白环的完全闭合。多年来，研究人员一直想知道这些超大的细胞是如何分裂的。

由于胚胎细胞中有如此大的卵黄，因此存在几何约束。“一个有松散末端的收缩带是如何保持稳定并产生足够的力量来分裂这些巨大的细胞的？”Alison Kickuth问道，她是一名刚毕业的博士生，来自卓越生命物理集群（PoL）的brugue小组，也是这项研究的主要作者。该团队发表在《自然》杂志上的实验给出了答案。

斑马鱼揭示微管的稳定作用

为了进行调查，研究人员转向斑马鱼胚胎，斑马鱼胚胎发育迅速，在早期阶段也含有大的、富含蛋黄的细胞。用激光精确切割肌动蛋白带，艾莉森发现，即使在切断肌动蛋白带后，肌动蛋白带仍继续向内移动。这表明它是沿着它的长度支撑的，而不是只在它的末端锚定。

研究小组还观察到，当肌动蛋白带被切断时，细胞骨架的另一个关键部分微管弯曲并扩散。这些纤维似乎有助于在带子收紧时稳定带子。为了测试它们的重要性，研究人员用两种方法破坏了微管。他们用化学方法诱导解聚（有效地阻止新微管的形成），并通过插入一个微小的油滴作为障碍物来物理干扰微管。在这两种情况下，肌动蛋白带在没有微管的情况下崩溃，表明这些结构在带形成和收缩过程中提供了关键的机械支持和信号。

细胞周期中细胞质刚度的变化

细胞骨架在细胞周期中自然重组。这个周期包括有丝分裂期（m期），当DNA分离时，和间期，当细胞生长并复制其DNA时。DNA分离后，称为紫苑的大微管结构在细胞质中扩展。在间期，这些细胞帮助确定肌动蛋白带形成的位置，标记未来的分裂位点。

由于微管可以影响细胞质的硬度，研究人员想知道紫苑是否可以通过硬化细胞内部来帮助固定肌动蛋白带。为了测量这一点，他们将磁珠放置在细胞内，并跟踪磁珠在磁力作用下的运动。这使他们能够评估细胞周期不同阶段细胞质硬度的变化。

他们发现细胞质在间期变得更硬，形成了一个稳定肌动蛋白带的支撑支架。然而，在m期，细胞质变得更加流动，允许带在两个新生细胞之间向内移动。这些刚性和流动性之间的转换在实现分割方面起着核心作用。

随着时间的推移，机械棘轮驱动分区

还有一个谜题。如果细胞质在m期变得更加流动，肌动蛋白带如何避免崩溃？随着时间的推移，通过跟踪带的末端，研究小组发现它在m期收缩时确实变得不稳定，但它并没有完全失效。相反，它的部分收缩被早期胚胎细胞周期的快速步伐“拯救”了。

当细胞进入下一个间期，细胞重组时，细胞质再次变硬，使带稳定。然后带在下一个流体阶段继续向内移动。这种暂时的不稳定随后是新的稳定的模式在几个细胞周期中重复，直到细胞完全分裂。这个过程就像一个“机械棘轮”，在不需要完全封闭的收缩环的情况下逐渐推进分割。细胞不是在一个周期内完成分裂，而是通过细胞质的交替物理状态一步一步地完成分裂。

“时间棘轮机制从根本上改变了我们对细胞分裂如何工作的看法，”该研究的通讯作者Jan brugueacute强调说。研究人员提出，这种机制为巨大的胚胎细胞提供了一种有效的解决方案，这些胚胎细胞分裂迅速，不能依赖于传统模型。

斑马鱼就是一个令人着迷的例子，因为它们胚胎细胞的细胞质分裂本身就不稳定。为了克服这种不稳定性，他们的细胞迅速分裂，通过在稳定性和流化之间交替，在几个细胞周期内允许带的进入，直到分裂完成。Alison强调了这一发现。

这项工作为理解大的、富含卵黄的胚胎的细胞分裂提供了一个新的框架，可以应用于许多产卵物种。它还强调了在控制细胞过程中细胞质物质特性的精确定时变化的重要性。像这样的见解可能会重塑科学家研究不同生物早期发育的方式。