秋水仙素怎样使染色体数目加倍

 

来源公众号：生物印记

1、染色体的着丝粒和动粒

    为了更好地解释秋水仙素作用后细胞周期停在何处，以及细胞中染色体数目是否加倍，在此先介绍着丝粒的结构。着丝粒是染色体的主缢痕区，结构上包括配对结构域、中央结构域（由卫星DNA组成）和位于外侧的动粒结构域（图 1），其中动粒结构域是和纺锤丝连接的部位。

    目前，发现动粒结构域的成分有CENP-A、CENP-B、CENP-C、CENP-D、CENP-E、CENP-F蛋白等，其中CENP-E蛋白被认为能促进微管和染色体连接。 在前期和中期，动粒上还结合有Mad2和Bub1蛋白，这两种蛋白的作用在于促进纺锤丝和动粒相连，但同时又会抑制后期促进复合物（APC）的活性，从而阻碍细胞从中期进入后期。

2、秋水仙素的作用机理

    秋水仙素也称秋水仙碱，是可与微管蛋白异二聚体结合，抑制微管装配的一种生物碱 。纺锤体由微管蛋白构成，微管蛋白包括 α 微管蛋白和 β 微管蛋白，二者通过非共价键形成异二聚体，异二聚体再通过非共价键组成中空的微管管壁（图 2）。微管具有极性，一端为正极，一端为负极。

    正常情况下，微管是一个动态结构，正极和负极都能继续添加异二聚体使微管延长，也都能去除异二聚体使微管缩短，这和微管的组成成分——结合GTP的微管蛋白异二聚体的浓度相关。因为，正极一端是 β 微管蛋白，负极一端是 α 微管蛋白，导致微管两极组装和去组装所需的 GTP 微管蛋白异二聚体的临界浓度不同。通常细胞中结合 GTP的微管蛋白异二聚体的浓度使正极倾向组装，负极倾向去组装，并且二者通常能维持动态平衡，从而保持微管的长度相对稳定。这种现象类似于骑脚踏车，因此也被称为“踏车行为”。

    与秋水仙素关系密切的Ｍ 期的纺锤体组装检验点，是为了检查纺锤丝是否正确连接到染色体的着丝粒上，以确保后续染色体准确地分给两个子细胞。一定浓度的秋水仙素能和微管蛋白结合从而抑制正极的组装过程，但对负极的去组装没有影响，因此会导致微管越来越短以致解体。纺锤体无法形成，因此导致细胞周期停滞。此时若及时去除秋水仙素的干扰，细胞周期仍能恢复。    

3、秋水仙素作用后细胞周期停在哪个时期

    有丝分裂中期，染色体的两条姐妹染色单体被黏连蛋白构成的环“捆住”。当黏连蛋白被分离酶破坏后才能让姐妹染色单体分开。然而中期的分离酶因为与紧固蛋白结合，同时被 CDK1（一种调控细胞周期的蛋白激酶，与相应的细胞周期蛋白结合才有活性）磷酸化，因而活性受到抑制。后期开始后，APC能破坏紧固蛋白，解放分离酶，使其得以水解黏连蛋白。APC的活性在后期之前被Mad2和Bub1 等蛋白抑制。由此可见，APC的活化对细胞从中期进入后期十分重要。当纺锤丝和染色体两侧的动粒正确相连，表明细胞已成功通过前述“纺锤体组装检验点”。此时 ＣENP-E的结构发生改变，从而引起Mad2和Bub1两种蛋白质结构的依次改变，从而解除二者对APC活性的抑制。ＡPC被活化后，一方面水解紧固蛋白，一方面使 CDK1失活，最终让分离酶活化。

    正在进行有丝分裂的细胞在秋水仙素的作用下，纺锤体的形成受到抑制，染色体动粒不能和纺锤丝连接，无法通过“纺锤体组装检验点”，从而无法启动活化ＡPC的程序，自然也就无法使姐妹染色单体分开移向细胞两极。 因为姐妹染色单体未能分开，因此秋水仙素作用后停滞的时期不应称为后期。 又因为此时核膜已经解体，加上染色体已经高度凝缩，称前期也不妥，故理论上称中期最为恰当。

4、秋水仙素作用后细胞的染色体数目能否加倍

     细胞为什么能在未通过检验点的情况下实现染色体数目的加倍呢？对此有学者提出了一些可能的机制，认为细胞在纺锤体毒性物质的长期作用下可能有５种命运（图３）：①有丝分裂慢性停滞，直到去除药物时才得以恢复；②尽管持续存在药物，胞质分裂失败，但细胞能适应该情况而返回到G1 期，导致产生四倍体且持续进行分裂；③适应但四倍体细胞在未激活检查点的情况下趋向衰老或凋亡；④适应但四倍体细胞在激活检查点的情况下趋向凋亡；⑤直接死于有丝分裂 。

     综上所述，低浓度的秋水仙素让细胞染色体数目加倍的可能机制是：细胞适应秋水仙素的作用，跳过本次周期的检验点，进入下一周期的 G1 期，开始下一轮DNA的复制并继续分裂，这种情况下分裂得到的两个子细胞染色体数目是加倍的。当然形成的四倍体细胞在秋水仙素的继续作用下，仍可能走向衰老或凋亡的命运。而高浓度秋水仙素诱导染色体数目加倍效果差的可能原因，是细胞适应不了该环境而趋向死亡。

来源网址：教学参考｜秋水仙素怎样使染色体数目加倍