细胞分裂，竟承担「排毒」的作用？MIT 新发现或为癌症 / 痴呆治疗带来启发

细胞协调生物合成和分解代谢途径的活动，以及成分的吸收和分泌，以维持适当的分子组成。在持续增殖的细胞中，这些过程是协调的，使得所有细胞成分在每个细胞周期中翻倍，而分化细胞可能会改变其组成，以匹配其功能。

麻省理工学院（MIT）的研究人员注意到，细胞在进入细胞分裂时，会损失大约 4% 的质量，这意味着细胞在分裂前可能会进行一些清理，将似乎不再需要的分子排出体外。这一发现以 Single-cell monitoring of dry mass and dry mass density reveals exocytosis of cellular dry contents in mitosis 为题发表在近日的 Elife 上。

图 1 研究成果（图源：Elife）

研究内容

为了更好地了解有丝分裂细胞的生长和成分变化，研究人员开发了一种监测单细胞干质量（即总质量 - 水质量）、干体积（即总体积 - 水体积）和干质量密度（即干质量 / 干体积）的新方法。

测量细胞的干质量，通常使用定量相显微镜完成，但它不会揭示有关干质量的生物分子组成的信息，并且很难用于悬浮生长的细胞。而 MIT 团队开发的新方法可以计算干质量密度，以及提供更高的时间分辨率，这可用于揭示细胞有丝分裂期间的动力学。

在 2019 年的一篇论文中，该团队的研究人员 Miettinen 和 Manalis 发现，随着有丝分裂的开始，细胞浮力质量略有增加。使用定量相显微镜的其他研究表明，细胞可能在细胞分裂早期保留或失去干质量。

在这项新研究中，麻省理工学院的研究小组测量了三种类型的癌细胞，因为它们比健康细胞分裂得更频繁，更容易用于研究。他们发现细胞在进入细胞分裂时损失了大约 4% 的质量。研究人员认为，这种清空垃圾有助于细胞给后代一个「新的开始」，没有亲本细胞积累的垃圾。

一、有丝分裂早期细胞暂时失去干质量并增加干质量密度

研究人员基于细胞的声波散射检测到有丝分裂阶段，报告了有丝分裂早期和中后期转变。并观察到许多 L1210 细胞在有丝分裂早期失去了干质量，干质量密度增加。但这些变化是短暂的，细胞在有丝分裂中后期时恢复了失去的干质量，并降低了干质量密度。中后期的干质量恢复比有丝分裂早期观察到的干质量增长更快，这表明这种恢复生长不同于正常的细胞生长。

此外，L1210 癌细胞在有丝分裂早期干质量和干质量密度的变化并不是一致的。在所有被测量的 L1210 细胞中，大约 7% 在早期有丝分裂中干重密度几乎没有增加。还观察到母细胞在其干质量和干质量密度中显示有丝分裂变化，而子细胞没有，反之亦然，表明在有丝分裂细胞质量和组成的调节中，细胞间存在很大程度的非遗传可变性。

图 2 细胞在有丝分裂早期瞬间失去干质量并增加干质量密度（图源：Elife）

二、有丝分裂干质量和干质量密度的变化不需要形态变化

有丝分裂细胞经历的一个主要形态变化是有丝分裂细胞肿胀，细胞吸收水分并可使其总体积增加，这与干质量的变化同时发生，即细胞从前期到中期膨胀，后期恢复。

为了研究干质量和干质量密度变化是否需要有丝分裂细胞膨胀，研究人员使用 Na⁺/H⁺ 交换抑制剂——5-(N-乙基-N-异丙基)-阿米洛利（EIPA）抑制有丝分裂膨胀。当在 EIPA 存在的情况下，与对照细胞相比，有丝分裂早期 L1210 细胞的干质量和干质量密度时没有观察到任何变化。因此，有丝分裂的干质量和干质量密度的变化不需要细胞形态学的改变。

图 3 有丝分裂干质量损失和干质量密度增加不需要细胞形态改变（图源：Elife）

三、有丝分裂早期溶酶体胞吐增加

在评估有丝分裂干物质丢失的可能机制时，研究者们首先考虑有丝分裂中干质量损失的程度，在极端情况下约为 8%。大分子最有可能是质量损失的形式，因为它们构成了细胞的大部分干质量。因此，研究人员将重点放在大分子的分泌机制上。

假设早期有丝分裂中干物质的损失是由溶酶体等成分的胞吐增加所致。通过在自由增殖的 L1210 细胞中对细胞表面溶酶体膜蛋白 LAMP-1 进行免疫标记，显微镜定量显示 LAMP-1 的数量从有丝分裂早期到后期增加，表明 LAMP-1 在整个早期有丝分裂过程中积累。

为了进一步支持溶酶体胞吐在早期有丝分裂中增加的观察，研究人员分别使用 RO-3306（CDK1 抑制剂）和 STLC 将 L1210 细胞同步到 G2 期和有丝分裂早期。STLC 在有丝分裂的干物质变化发生的前中期阻滞细胞。然后他们对细胞表面 LAMP-1 进行免疫标记，并用流式细胞仪进行定量分析，发现被阻滞到早期有丝分裂的细胞表面的 LAMP-1 水平高于被阻滞在 G2 的细胞。

此外，研究人员还检测了细胞周期与 G2 或早期有丝分裂同步后，BaF3 和 THP-1 细胞表面的 LAMP-1 免疫标记。在两个细胞系中，有丝分裂早期的 LAMP-1 标记量高于 G2。这些结果表明，在有丝分裂早期溶酶体的胞外分泌增加。

图 4 有丝分裂早期溶酶体胞吐增加（图源：Elife）

四、抑制溶酶体胞吐会减少有丝分裂干质量损失和干质量密度增加

研究人员们研究了抑制溶酶体胞吐是否阻止了有丝分裂中发生的干质量和干质量密度的变化。

首先，他们验证了溶酶体胞吐可被 brefeldin A 和 vacuolin-1 抑制。随后，监测了 L1210 细胞在 brefeldin A 或 vacuolin-1 存在下的干质量和干质量密度变化，结果显示这两种化学物质没有阻止细胞分裂，但都减少了有丝分裂过程中细胞干质量和干质量密度的变化。

图 5 溶酶体胞吐抑制物减少有丝分裂干物质的分泌（图源：Elife）

总结

在这项研究中，研究人员发现，当进入细胞分裂周期时，细胞的干质量会减少，在分裂完成之前又会重新获得。进一步的实验表明，当细胞进入有丝分裂时，溶酶体胞吐作用的过程的活性会增加。此外，随着细胞干质量的减少，细胞的干质量密度增加，因此研究人员认为细胞正在失去低密度分子，如脂质或脂蛋白。

本研究的主要作者、麻省理工学院的 Teemu Miettinen 表示：「我们的假设是，细胞可能会扔掉有毒成分或是功能异常的物质。它可以让新生细胞出生时具有更多的功能性内容。」

研究人员推测，他们的发现可能有助于解释为什么不分裂的神经元更有可能积累有毒蛋白质，如 Tau 或淀粉样蛋白，这些与阿尔茨海默病的发展有关。这一发现也可能与癌症有关：癌细胞可以利用胞吐作用排出一些化疗药物，帮助它们对药物产生耐药性。理论上，在细胞分裂前阻止胞吐作用的发生有助于使癌细胞更容易受到这类药物的影响。

Miettinen 说：「有些疾病，比如神经退行性疾病，我们可能需要上调胞吐作用，但有些疾病，比如癌症，我们可能需要降低它的水平。在未来，如果我们能更好地理解这背后的分子机制，并找到一种方法，在有丝分裂之外触发它或在有丝分裂期间阻止它，我们可以真正实现在治疗疾病时使用一个新的开关。」