Science：这是细胞分裂的关键过程

• 基因组调控中心(CRG)、西班牙国家癌症研究中心(CNIO)的研究人员解决了生物学中的一个关键问题：人类细胞如何构建微管

• 在细胞分裂过程中，微管在细胞内起着纳米厚的长“绳索”的作用，它将染色体分开，以便每个子细胞获得遗传物质的副本

• 为从癌症到神经发育障碍等疾病治疗的未来突破奠定基础

人体内的细胞不断地分裂。每一次分裂，染色体中包含的遗传信息都会被复制，每个子细胞都会得到遗传物质的完整拷贝。这是一个复杂的过程，一个时钟机制，涉及细胞内精细和快速的变化。为了使这成为可能，细胞依赖于微管，一种确实是管状的微小结构。了解它们如何开始形成是一个长期存在的问题。

现在，基因组调控中心(CRG)、西班牙国家癌症研究中心(CNIO)和西班牙国家研究委员会(IBMB-CSIC)的研究人员第一次成功地制作出了一部相当于电影的东西，展示了人类细胞如何启动微管的构建。

发表在《科学》(Science)杂志上的这一发现，解决了多年前提出的一个问题，从而为未来在治疗从癌症到神经发育障碍等疾病方面取得突破奠定了基础。

把染色体分开的长绳

Óscar Llorca是CNIO结构生物学项目的主任，也是这项研究的共同主要作者，他描述了细胞分裂开始时细胞内部发生的事情:“染色体一旦复制了遗传信息，就会移动到细胞的中心，细胞以一种非常显著的方式，迅速从它的两端长出大管，这些管钩住染色体，并将每个副本拉向细胞的两极。只有这样，才有可能在每个子细胞中封装我们所有遗传物质的副本。”

Llorca解释说，“像长绳一样到达染色体并将其分裂”的结构是微管。这就是为什么我们说微管在细胞分裂中起着关键作用。我们需要很好地了解在正确的地点和正确的时间触发这些微管形成的机制。”

它们也是“蜂窝高速公路”

微管是长度为千分之一毫米，直径为纳米(百万分之一毫米)的管子。除了是细胞分裂的关键外，它们还充当细胞不同区域之间移动细胞成分的高速公路。在其他任务中，它们也是塑造细胞本身的结构元素。很好地理解它们的形成对生物医学的多个领域都有意义。

“微管是细胞的关键组成部分。在这里，我们捕捉到了人体细胞内发生作用的过程。考虑到微管在细胞生物学中的基本作用，这可能最终导致针对各种疾病的新治疗方法，”ICREA研究教授Thomas Surrey解释说，他是CRG研究员和《科学》杂志上论文的共同主要作者。

分子环触发微管形成

现在获得的高分辨率图像回答了一个悬而未决多年的问题:微管是如何在细胞分裂的早期阶段开始形成的。

我们现在知道，这一切都始于一个由几种蛋白质组成的复杂结构，称为g TuRC(发音为“γ - TuRC”)，它关闭，形成一个环。

g TuRC的形状，即它的三维结构，是在几年前被发现的，这让研究人员感到惊讶。预计TuRC将是一个封闭的环，作为微管的基础模具。但TuRC是一个开放的环。它的尺寸和形状与微管模具不相容。

新的CRG和CNIO的工作揭示了g TuRC闭合成环的机制，并有效地成为一个完美的模具，能够启动微管形成。当微管的第一个分子片段附着在g - TuRC上时，g - TuRC就闭合了。

“这是细胞用来关闭g TuRC的伎俩，”略尔卡解释说。“一旦第一块砖进入，g TuRC的一个区域就能够钩住它，就像一个环一样，充当一个锁存器，将环拉上并启动这个过程。”

可视化这一过程需要从人类细胞中纯化g - TuRC，并在试管中重现微管起始过程。采用低温电子显微镜对样品进行观察，并用人工智能进行数据分析。

原子尺度的一百万帧电影

其中一个挑战是处理微管构建过程的高速。CRG小组在实验室中成功地减缓了这一过程，并阻止了微管的生长，以便更好地分析这一过程的初始阶段。

“我们必须找到条件，使我们能够在成核过程中对超过一百万个微管进行成像，以免它们长得太长而模糊γ-TuRC的作用。我们能够使用我们实验室的分子工具箱实现这一点，然后将微管存根冻结到位，”Cláudia Brito解释说，他是CRG的博士后研究员，也是该研究的第一作者。

正在构建的微管是在位于ALBA同步加速器内联合电子显微镜中心(JEMCA)的ibm - csic电子低温显微镜平台上观察到的。“它们被冻结在一层薄薄的冰中，保留了相关分子的自然形状，”该平台负责人Pablo Guerra解释说。这就是如何确定观察微管形成的最佳实验条件。然后将最佳冷冻样品送到巴斯克电子显微镜资源中心(BREM)进行成像，并将成像结果传递给CNIO的Marina Serna和Oscar Llorca进行原子分辨率的三维结构分析和测定。

用于装配的人工智能

实际上，拥有100多万个处于不同生长阶段的微管相当于拥有多帧高分辨率电影。你“只要”把它们按正确的顺序排列，就能看到正在进行的电影。这项任务落到了CNIO团队的肩上，他们使用人工智能技术完成了这项任务

“从显微镜图像中确定生长微管的三维结构是非常复杂的。我们需要多种数字图像处理工具，”CNIO研究员Marina Serna解释说。

对于Llorca来说，“最大的挑战是以高分辨率分析动态过程的图像，我们同时观察几个阶段。多亏了神经网络的使用，这才使我们能够组织所有这些复杂性。”

结果是原子分辨率的三维结构，代表了微管构造开始的不同阶段，以及γ-TuRC环如何成为启动微管形成的模具。

对健康的影响

正如Llorca解释的那样，“这一发现是相关的，因为我们已经解决了细胞分裂的一个非常基本的机制，我们不知道它在人类中的过程”。

这些基本知识对于学习如何纠正微管功能错误是有用的，微管与癌症、神经发育障碍以及从呼吸系统问题到心脏病等其他疾病有关。

“目前用于治疗癌症的一些药物可以防止微管的形成或动态，然而，这些药物不分青红皂白地影响癌细胞和健康细胞中的微管，导致副作用。详细了解微管是如何形成的可能有助于开发更有针对性的治疗方法，影响微管的形成，并使癌症和其他疾病的治疗取得进展。”

下一步

Thomas Surrey解释了理解微管的下一步，其中包括解读微管的形成是如何被调节的:“成核的过程决定了微管在细胞中的位置以及细胞中有多少微管。我们观察到的构象变化很可能是由细胞中尚未发现的调节因子控制的。其他研究已经描述了几种候选药物，但它们的作用机制尚不清楚。”

进一步的工作，“阐明调节因子如何与γ-TuRC结合，以及它们如何影响成核过程中的构象变化，可能会改变我们对微管如何工作的理解，并最终提供人们可能想要的替代位点，以防止癌细胞经历细胞周期，”Surrey总结道。