撰文 |Sure

有絲分裂開始時，細(xì)胞內(nèi)會發(fā)生劇烈且迅速 的 變化，包括細(xì)胞核膜消失、染色體濃縮、細(xì)胞骨架解體以及紡錘體的形成等【1】。這些過程主要由CDK-cyclin復(fù)合物通過對大量底物進(jìn)行磷酸化調(diào)控，但是多種不同的cyclin-CDK復(fù)合物和調(diào)節(jié)因子在大多數(shù)真核生物中共存，功能可能重疊和冗余，導(dǎo)致實驗結(jié)果難以解讀【2,3】。加之現(xiàn)有的體外系統(tǒng)難以準(zhǔn)確模擬細(xì)胞內(nèi)的空間分區(qū)特性，也限制了對CDK活化動態(tài)的理解【4-6】。以Cdk1與其調(diào)節(jié)亞單位cyclin復(fù)合物為例，其活性在細(xì)胞周期中逐漸升高，尤其是在G2期末期快速上升，觸發(fā)有絲分裂。這種活性的調(diào)控既依賴cyclin積累，也依賴于Cdk1的酪氨酸磷酸化的調(diào)節(jié)，形成復(fù)雜的反饋回路。這些正反饋（Cdk1-Cdc25）和雙負(fù)反饋（Cdk1-Wee1）使得Cdk1活性能夠迅速且劇烈上升。Cdk1激活的雙穩(wěn)態(tài)性確保了這一轉(zhuǎn)變是不可逆的，但在空間分隔的細(xì)胞中如何展開尚不清楚。

近日， 來自 英國 弗朗西斯-克里克研究所 的 Nitin Kapadia 在 Nature 上 發(fā)表了論文 Spatiotemporal orchestration of mitosis by cyclin-dependent kinase 。 在本研究中， 作者揭示了有絲分裂時空調(diào)控的核心原則，即有絲分裂啟動時，不同空間CDK活性的時序激活與信號傳導(dǎo)是實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)時空協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。

研究人員首先重新分析了之前發(fā)表的裂殖酵母磷酸化蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，以比較細(xì)胞周期中不同細(xì)胞區(qū)室內(nèi)CDK底物磷酸化的時序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，核內(nèi)位點的磷酸化水平上升早于細(xì)胞質(zhì)中的位點。核周邊、中心體以及核膜上的位點磷酸化上升也均滯后于細(xì)胞核。進(jìn)一步分析顯示，這些磷酸化位點對CDK活性的敏感程度與其磷酸化上升的時間并無顯著相關(guān)性。作者由此推斷，不同區(qū)域磷酸化時間差異主要源于細(xì)胞內(nèi)空間上的CDK活化次序差異，而非底物本身敏感度的差異。為了直接觀測細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中CDK活性的時序變化，研究人員構(gòu)建了新的單細(xì)胞CDK活性傳感器（NucCDK）。通過工程化設(shè)計，將一個含有核定位信號的報告蛋白在未被磷酸化時滯留在細(xì)胞核內(nèi)，而被CDK磷酸化后暴露出核輸出信號，從而轉(zhuǎn)移出細(xì)胞核。再加上一種已知的細(xì)胞質(zhì)CDK傳感器（CytCDK），作者實現(xiàn)了在同一細(xì)胞中雙標(biāo)活細(xì)胞成像，同步監(jiān)測核內(nèi)和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)CDK活性隨時間的變化。

利用這兩個傳感器系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)在正常細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂時，兩個傳感器均顯示CDK活性快速上升，但NucCDK的上升明顯早于CytCDK傳感器。作者用算法自動檢測傳感器曲線由平緩變?yōu)槎冈龅墓拯c，統(tǒng)計大量細(xì)胞后，平均核內(nèi)CDK活性激活時間早于細(xì)胞質(zhì)5-10分鐘。這些結(jié)果明確支持了作者在磷酸化蛋白質(zhì)組中的發(fā)現(xiàn)，即細(xì)胞核中的CDK活化先于細(xì)胞質(zhì)。此外，作者還證實這種空間分隔的CDK活化啟動時差并不是由傳感器敏感性差異導(dǎo)致的。這些結(jié)果提出了核驅(qū)動質(zhì)的順序激活模型，如果核內(nèi)CDK的激活先于細(xì)胞質(zhì)，則可能是核內(nèi)CDK的活性升高觸發(fā)了細(xì)胞質(zhì)CDK激活。為了驗證這個假說，作者利用Cdc13-Cdc2AF突變?nèi)诤系鞍啄M敏感背景，破壞了CDK的反饋調(diào)節(jié)（CDK Y15依賴性反饋環(huán)路），使CDK活性的上升更加平緩，從而缺少急劇的正反饋。結(jié)果在這種漸進(jìn)的CDK激活條件下，核與質(zhì)的時間差延長到約13分鐘。這表明核內(nèi)CDK活性的慢慢升高，需要更久的時間才達(dá)到觸發(fā)細(xì)胞質(zhì)CDK活化的閾值，因此細(xì)胞質(zhì)響應(yīng)被推遲。這一結(jié)果進(jìn)一步支持了 核內(nèi)CDK先激活并驅(qū)動細(xì)胞質(zhì)CDK后激活的順序模型 。作者還發(fā)現(xiàn) 傳感器所示的時序差異主要反映CDK自身在不同空間中激活的時間，而非由于磷酸酶調(diào)控時機(jī)不同所致。

在明確細(xì)胞核內(nèi)CDK先激活后，研究人員繼續(xù)探究核內(nèi)CDK激活信號是如何傳遞到細(xì)胞質(zhì)中。在有絲分裂開始時Cdc13從細(xì)胞核轉(zhuǎn)運到細(xì)胞質(zhì)是觸發(fā)有絲分裂的關(guān)鍵步驟，作者推測Cdc13-Cdk復(fù)合物的跨核轉(zhuǎn)位可能將核內(nèi)激活傳遞給細(xì)胞質(zhì)，從而耦合兩者的CDK活化。利用活細(xì)胞成像，作者發(fā)現(xiàn)Cdc13從細(xì)胞核導(dǎo)出到細(xì)胞質(zhì)恰好發(fā)生在有絲分裂起點，而核內(nèi)CDK激活發(fā)生在Cdc13出核之前約5分鐘，細(xì)胞質(zhì)CDK激活時間則幾乎與Cdc13出核同時發(fā)生。換言之， 細(xì)胞核中的CDK達(dá)到高活性5分鐘后，Cdc13-Cdk復(fù)合物開始出核；而一旦輸出發(fā)生，細(xì)胞質(zhì)中的CDK幾乎立刻被激活 。作者進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)， 核內(nèi)CDK須先積累到較高水平才能激活（高閾值），激活后部分復(fù)合物導(dǎo)出，使細(xì)胞質(zhì)的較低閾值被突破， 從而引發(fā)細(xì)胞質(zhì)CDK的同步激活 。

細(xì)胞在進(jìn)入和退出有絲分裂的過程中，CDK活性并非線性變化，而是受到反饋調(diào)節(jié)可能呈現(xiàn) 雙穩(wěn)性和滯后 （hysteresis）：即存在 高活性 和 低活性 兩種穩(wěn)定狀態(tài)，中間有閾值觸發(fā)快速轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換存在對歷史狀態(tài)的依賴。 隨后，作者對細(xì)胞核中的CDK調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究。結(jié)果表明， 高閾值、高穩(wěn)定性，使CDK活性產(chǎn)生清晰的開關(guān)式變化并穩(wěn)定維持，從而保證了有絲分裂過程可靠進(jìn)行。相對地，細(xì)胞質(zhì)中的CDK活性調(diào)控更接近線性響應(yīng)，缺乏滯后，高態(tài)不穩(wěn)但響應(yīng)迅速。這樣的差異主要由CDK Y15依賴的反饋環(huán)路造成。Y15反饋增強(qiáng)了核內(nèi)CDK振蕩的穩(wěn)定性，允許C dc13 –CDK從核輸出傳遞信號而不致使核內(nèi)高 活性穩(wěn) 態(tài)崩潰；同時在細(xì)胞質(zhì)則引發(fā)較弱的響應(yīng)，使細(xì)胞質(zhì)CDK在核信號到來時快速但短暫地進(jìn)入高 活性狀 態(tài) 。

傳統(tǒng)觀點曾認(rèn)為，有絲分裂信號可能始于細(xì)胞質(zhì)的微管組織中心（如哺乳動物中心體或酵母SPB），由那里觸發(fā)全細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂 。 然而，本研究的結(jié)果顯示CDK首先在核內(nèi)激活，質(zhì)疑了SPB先觸發(fā)模型。因此 作者 進(jìn)一步考察了SPB上 Cyclin- CDK的作用，弄清它在有絲分裂時序控制中扮演的角色。 研究發(fā)現(xiàn)， SPB并不是決定何時開始有絲分裂的主開關(guān)，但它在信號傳播中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)核內(nèi)CDK激活后，一部分 Cdc13- CDK必須通過與SPB相關(guān)的機(jī)制導(dǎo)出到細(xì)胞質(zhì)，才能確保全細(xì)胞同步進(jìn)入有絲分裂。如果沒有Cyclin定位SPB這一環(huán)節(jié)，核內(nèi)和細(xì)胞質(zhì)的CDK活化會失去協(xié)同——核內(nèi)已進(jìn)入高活性而細(xì)胞質(zhì)未激活，細(xì)胞將無法正確完成有絲分裂 。

總的來說，本研究 揭示了細(xì)胞在進(jìn)入有絲分裂時的一系列時空調(diào)控機(jī)制：CDK首先在細(xì)胞核中被激活，核內(nèi)達(dá)到高活性閾值后，通過C dc13- Cdk復(fù)合物的核輸出引發(fā)細(xì)胞質(zhì)CDK的稍后激活。核內(nèi)CDK活性由于Y15反饋回路呈現(xiàn)強(qiáng)雙穩(wěn)性，可在Cyclin水平波動中穩(wěn)定保持高態(tài)，并驅(qū)動信號傳出；而細(xì)胞質(zhì)CDK活性閾值較低，能夠快速響應(yīng)核信號但高態(tài)不穩(wěn)，需要持續(xù)來自核的輸入。SPB 在 保障核內(nèi)信號有效傳遞到細(xì)胞質(zhì)，使有絲分裂在全細(xì)胞范圍內(nèi)同步進(jìn)行 中發(fā)揮重要作用 。這些發(fā)現(xiàn)糾正了我們對細(xì)胞分裂時空協(xié)調(diào)的認(rèn)識——強(qiáng)調(diào)細(xì)胞核在 時序控 制上的中心地位，以及Cyclin–CDK跨區(qū)室運輸和反饋調(diào)節(jié)在實現(xiàn)空間一致的細(xì)胞周期轉(zhuǎn)換中的重要作用。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09172-y

制版人： 十一

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