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细胞周期阻滞的分子结构

韦恩·斯塔勒特、索瓦尼·泰勒、卡塔日娜·m·凯德齐奥拉、玛莎·s·约翰逊、科林·d·泰勒、霍利·k·索邦、凯瑟琳·l·杨、胡安妮塔·c·利马斯、乔纳·瓦尔布罗·霍洛威、珍妮特·高文·库克、杰里米·e·珀维斯

预印本发布于2022年4月27日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.04.27.489684v1

(一圈),去那里,再回来:细胞周期的一圈,不,旅程并没有在这里结束。

选择 阿纳斯塔西娅Moraiti

把握好自己的节奏永远是一个很好的人生忠告。它甚至适用于维持多细胞生命的过程:细胞周期。细胞的持续增殖对于有机体的生长、更新和修复是很重要的,同样重要的是细胞停止增殖以承担它们的最终命运,确保正确的模式,并维持干细胞库。这种细胞周期停滞状态也被称为G0,可以是可逆的(静止)或不可逆的(衰老)。细胞周期阻滞给我们带来了有趣的问题,在基础细胞生物学,以及癌症和再生。

在这项研究中,Stallaert等人提出了表征细胞周期不同阶段、细胞周期阻滞状态以及向细胞周期阻滞过渡的分子状态的系统视图。这项研究是大量数据驱动的(因此,大量数据)。许多发现的详细排列超出了这一重点的范围,但我确实认为,这项工作本身和方法的重要性值得值得提到,因此我觉得有必要在试图综合这些结果之前提及其设置。

  • 方法:采用迭代间接免疫荧光成像(4i)和基于亲和力的过渡嵌入(PHATE)的热扩散势。4i允许对来自同一细胞的多个层次的蛋白质读数进行高通量测量,而不需要进行推断,而PHATE是一种强大的降维方法,用于高维数据中轨迹的2D可视化。
  • 研究对象为23605个细胞,49个细胞周期效应因子,如Cyclin D1、(phospho-)p21和(phospho-)p27。从中,作者提取了2952个独特的单细胞特征,如蛋白质的亚细胞定位、细胞大小和形状。
  • 条件:在基础条件下研究异步视网膜色素上皮(RPE)细胞Stallaert等人,2022年)和处于低生质、复制和氧化应激下。
  • 应激源:低生质胁迫通过血清饥饿诱导,复制胁迫利用拓扑异构酶抑制剂依托泊苷,氧化胁迫通过外源H2O2
  • 图谱组成部分:通过将数据投影到细胞周期图谱上,作者确定了1)细胞周期的出口点,2)诱导阻滞的机制,3)阻滞细胞的分子特征。

绘制细胞周期周围和外部的路径

作者首先绘制了未受干扰的RPE细胞的细胞周期图,他们将其作为基础条件来投射受干扰的细胞周期图。未受干扰的细胞呈现周期性的磷酸化- rb阳性轨迹——细胞周期的典型阶段(G1-S-G2-M),而受阻细胞自发出现的磷酸化- rb阴性轨迹,在有丝分裂后偏离周期(2C细胞)。这类细胞以前曾被描述为母细胞周期内源性应激的结果。

细胞经历促有丝分裂的压力其反应是在不同的时间点离开细胞周期到未受干扰的细胞,在G2期间分化。这些血清缺乏的细胞仍然进行有丝分裂,并以2C的状态退出细胞周期,但与基础G2相比,低促分裂G2的特征是Cyclin D1水平较低

复制的压力,细胞在有丝分裂后即为2C细胞,G2后即为4C细胞。2C途径类似于在基础条件下内源性应激引起的自发阻滞细胞,而4C途径类似于激活G2 DNA损伤检查点引起的自发阻滞细胞,磷酸化- h2ax、磷酸化- chk1等蛋白水平升高。感应的氧化应激导致细胞周期再次阻滞在G1或G2(作为2C或4C),总体上非常类似于复制应激,表明氧化应激主要通过诱导DNA损伤来作用于细胞周期。通过统一他们的细胞图谱,作者能够绘制出导致细胞周期阻滞的事件的(漂亮的)综合图谱

图1:A.未受干扰的细胞周期图,以伪时间尺度着色。有丝分裂后,部分细胞自发向G0转化。B.低细胞分裂胁迫下的细胞周期图(蓝色),投射在基础状态上(灰色)。G2后出现G0细胞。C.复制胁迫下的细胞周期图(绿色),投射在基础状态上(灰色)。G0细胞从G1后2C含量和G2后4C含量两条轨迹出现。

通向(和走出?)衰老的路线图

经过长时间的复制应激(长达4天),被阻滞的2C和4C细胞逐渐发展为一种常见的分子状态,其特征为衰老例如衰老相关的β-半乳糖苷酶(SA-β-gal)活性、GSK3β等标记物和低DNA:细胞质比率。有趣的是,从G2发展到衰老的细胞也表现出g1样特征,如细胞周期蛋白D1和E的升高,以及CDK4。作者发现这种从G2到g1样状态的转变是通过一个叫做有丝分裂不但这并不是唯一的转变,因为作者还发现了一些含有8C DNA含量的细胞,它们与4C细胞相比处于不同的分子状态,他们发现这些细胞是通过核内复制发生的。这引出了一个有趣的问题衰老是多么永久啊.考虑到衰老状态以G1特征为特征,他们将重点放在G1调控事件上。事实上,他们注意到,从衰老到多倍体细胞的轨迹特征是Cdt1、E2F1活性和Cyclin D1的增加。在此之后,下一个需要进行的实验是抑制和过表达Cyclin D1。事实上,Cyclin活性的丧失导致多倍体细胞减少,而表达的增加导致多倍体细胞增多(!)这不仅是衰老可逆性的一个例子,而且它的可逆性与细胞到达它的途径(G1或G2)无关。

图2:A.长期暴露在压力下的事件分布图。2C和4C停止轨迹的细胞汇聚到一个共同的终端状态。4C细胞通过有丝分裂跳跃达到这种状态,而一些4C细胞继续进行核内复制达到8C。B.细胞周期阻滞的不同路线的综合地图。

总之,Stallaert等人在这里结合了两种强大的方法,即超复合成像和多元学习,以产生导致细胞周期停滞的分子事件的全面图谱。他们跟踪被捕获的细胞到衰老状态,并表明操纵G1调控机制可以引导细胞回到周期。

我向作者提出的问题

  • 我很好奇您是否对4C和8C细胞进行了进一步的研究,并对它们的适应性进行了评论,您是否注意到任何异常的染色体/纺锤体等?您是否发现多倍体检查点或细胞周期蛋白G1激活导致细胞凋亡的证据?
  • 您能否推测一下,多倍体细胞出现之前,是失去了进行完全细胞质分裂的可能性,还是相反?
  • 最后,我忍不住要问,你是如何看待你的发现的再生疗法的希望?

标签:细胞周期细胞周期阻滞有丝分裂退出静止

发布日期:2022年5月30日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32202

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作者的回应

韦恩Stallaert共享

我很好奇您是否对4C和8C细胞进行了进一步的研究,并对它们的适应性进行了评论,您是否注意到任何异常的染色体/纺锤体等?您是否发现多倍体检查点或细胞周期蛋白G1激活导致细胞凋亡的证据?

我们也对这些细胞的后续命运非常感兴趣!我们可以肯定地看到,细胞周期蛋白D1在这些细胞中表达非常丰富,远高于典型的G1期,我们提供的证据表明,这种丰富度的增加可以推动细胞脱离停滞状态,从4C状态进入另一轮细胞分裂。就适应度而言,这些细胞的增殖速度要低得多,因此与未受干扰的平均细胞相比,它们的适应度下降了。虽然我们没有直接评估细胞凋亡,也没有在染色体或纺锤体水平上寻找差异,但在随后的复制或分裂过程中,这些细胞可能在重要方面与“正常”细胞不同,这是完全合理的。

您能否推测一下,多倍体细胞出现之前,是失去了进行完全细胞质分裂的可能性,还是相反?

在复制应激后,我们的延时成像和4i数据显示,在持续复制应激下产生多倍体细胞的功能障碍并不是无法进行细胞质分裂,而是完全避免了有丝分裂!细胞没有试图进行有丝分裂的迹象(没有核膜破裂,没有染色体凝结等),相反,似乎是从g2样的分子状态直接过渡到g1样的分子状态。从这种g1样的状态,D1周期丰度的增加可以将细胞推回到细胞周期,在那里它们将进行第二轮DNA复制(称为核内再复制),产生这些8C多倍体细胞。

最后,我忍不住要问,你是如何看待你的发现的再生疗法的希望?

这是个很有趣的问题。当然,再生疗法的终极目标是找到一种方法,将细胞从稳定的停滞状态拉回增殖细胞周期。更好地理解细胞周期阻滞的异质性,以及诱导和维持它的各种机制,我们可能会发现一些如何逆转它的线索。我认为,下一步重要的一步将是开始绘制细胞在其原生环境中的细胞周期,我相信这将揭示增殖和停滞状态的额外异质性,并可能帮助我们更好地理解细胞如何决定在各种生物环境中何时何地触发细胞分裂。

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