NCB | 早期胚胎发育过程中细胞状态转换与细胞分裂脱节

导读

在生物发育过程中，细胞分裂速度在组织内外不断变化，以产生合适的细胞类型数量和结构。细胞分化会影响细胞周期和分裂速率的变化，但细胞分裂是否反向调控分化尚不明确。

研究发现，细胞周期通过转录因子的结合、积累、磷酸化、核质比临界值以及不对称分配等机制调控分化。

然而，即便在细胞周期停滞下，许多物种的胚胎仍能完成形态发生并表达某些分化标记。例如，鞘亚纲、两栖动物、斑马鱼及小鼠的胚胎在阻断细胞分裂后，仍可完成部分发育过程。这表明细胞分裂对形态发生和某些分化标记的表达并非绝对必要。

发育涉及数百种细胞类型形成，不同细胞类型在特定时间和比例出现。目前尚不确定是否所有细胞类型都需依赖分裂以实现正确分化、调控发育时间等。

2024年11月8日，哈佛医学院Allon M. Klein团队在Nature Cell Biology上发表了一篇题为“Cell state transitions are decoupled from cell division during early embryo development”的论文，通过单细胞RNA测序结合胚胎细胞周期干扰，研究了细胞状态的形成是否需要细胞分裂，以及分裂是否影响细胞类型比例和分化速率。

文章索引

研究结果

一. 发育时的斑马鱼胚胎中细胞周期停滞

作者在斑马鱼发育早期，通过HUA和emi1突变两种方法在6 hpf抑制细胞分裂，发现停滞胚胎在24 hpf前保持存活并完成主要形态变化，但尾部延伸和细胞排列显著受损。

scRNA-seq和EdU、pH3染色结果验证了细胞周期抑制的有效性，突变体中细胞分裂显著减少，表明细胞周期对特定发育过程并非完全必要。

二. 无细胞分裂情况下的分化

通过scRNA-seq数据，作者分析了未干预、HUA处理和emi1突变胚胎的细胞周期进程对细胞分化的影响。结果显示，在6到24 hpf期间，即使在细胞周期被抑制的情况下，斑马鱼胚胎仍能形成各类细胞类型，表明细胞分裂并非早期胚胎分化的必需条件。

此外，通过RNA FISH和免疫染色检测关键分化标记，以及观察心跳和尾部肌肉运动，证明了不同细胞类型的功能性行为在细胞周期停滞条件下仍可出现。

综合这些结果，确认在发育早期，细胞周期进程对细胞状态的形成并非必不可少。

三. 分化速率在不同细胞类型中对细胞分裂的依赖性不同

细胞周期干扰虽不影响细胞类型的形成，但会在组织特异性上延缓分化。HUA处理的胚胎分化延迟3.16小时，emi1突变体延迟0.71小时，尤其是红细胞分化延迟最大。这一延迟在不同细胞类型中有所不同，血液细胞分化延缓得到RT-qPCR和RNA FISH验证。

四. 细胞分裂停滞引发全局转录组响应

分化延迟的同时，作者发现停滞细胞在14至24小时内有转录组差异。HUA处理胚胎和emi1突变胚胎分别通过p53靶基因和DNA复制基因的上调响应复制压力，且不同细胞类型的响应强度与其基础表达相关。

五. 细胞分裂停滞改变胚胎中细胞类型比例

细胞分裂停滞显著改变了胚胎中细胞类型的比例，24小时后HUA处理的胚胎和emi1突变体中有显著变化，这些变化与大脑体积减少一致。

细胞增殖率较高的细胞类型在停滞后减少更多，表明增殖对细胞比例有重要影响。虽然预测的变化较大，但实际变化较小，提示胚胎通过调整前体细胞命运来补偿。

总结

本文研究表明，细胞分裂对于斑马鱼胚胎分化非必需，但会减缓部分细胞类型的分化并引发全局应激反应。虽然分化过程不依赖于细胞分裂，细胞比例却会发生变化，表现出部分补偿，该研究揭示了细胞分裂在发育中的作用。

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