秋水仙素诱导染色体数目加倍的机制

秦四哥

1姐妹染色单体的分离

1.1着丝粒

复制后的染色体具有两个姐妹染色单体，它们必须分离为单拷贝，分别进入两个子细胞。染色体上负责使其在有丝分裂和减数分裂中得以分离的区域称为着丝粒（centromere）。在很多高等真核生物中，着丝粒看起来像是在染色体一个点上的浓缩区域，故又称主缢痕。着丝粒既是真核生物细胞在进行细胞分裂时，染色体分离的一种“装罝”，也是姐妹染色单体在分开前相互联结的位罝。关于着丝粒的定义，目前最广泛使用的是生物化学上的定义，即如果一段DNA序列能够与动粒相互作用，那么，这段序列就是功能着丝粒的一部分。多数真核生物的着丝粒位于高度重的卫星DNA序列（即短的DNA串联重复序列）之中，并且卫星DNA序列是主要的着丝粒DNA序列。在化学组成上着丝粒区域与染色体的其余部分存在差异，它即使包含基因，数量也很少。着丝粒DNA—般处于异染色质中，基因表达沉默。着丝粒DNA复制也相对滞后，在DNA复制期（S期）复制受阻，直到分裂期（M期）才完成复制。

1.2动粒

着丝粒DNA序列具有种的特异性，但所有的着丝粒都只有一个相同的功能，即在细胞分裂期组建动粒（kinetochore），这对于细胞分裂中姐妹染色单体正确分离至子细胞中起着至关重要的作用。由于着丝粒和动粒在结构和功能上密不可分，关系十分紧密，现一般将它们合称为着丝粒-动粒合体（图1）。

                              

动粒（也有称为着丝点）被定义为能够使着丝粒DNA与纺锤体结合的蛋白质结构，能够介导染色体和纺锤体之间的相互作用。至有丝分裂前中期，动粒基本成熟。此期的染色体在着丝粒两侧各有一个动粒，为直径或长度为400nm  左右的纤维状结构实体。成熟的动粒只有活性，能够捕捉动粒微管，并与之结合。微管分三类，包括星体微管、纺锤体微管和动粒微管。其中动粒微管介导染色单体与动粒相迮，并向着两极拉动染色单体。每个动粒与多个从两极之一发射而来的微管相迕接，形成一个延伸于动粒和纺锤体极的维管束，称为动粒纤维。微管通过自组装和去组装进行缩短或延伸来调节染色体的位罝。

与动粒纤维结合的动粒使分裂期的染色体彼此迁移，并产生一个分裂期关卡信号，确保所有的染色体都附着有动粒纤维，并排列于细胞的赤道板上，细胞分裂进入中期。

1.3黏粒的破坏触发姐妹染色单体的分离

一般认为将姐妹染色单体连接在一起的是黏粒（cohesin），每个黏粒是由两个SMC（染色体结构维持蛋白）和两个非SMC蛋白组成的人环。SMC是一类延伸蛋白，它们通过长的螺旋卷曲结构域相互作用形成固定的配对。

在前-前中期过渡期内，除着丝粒处之外的人多数黏粒因Sccl（非SMC蛋白的一种）被PIK1磷酸化而释放出来。细胞分裂进入中期后，着丝粒处的黏粒分子因蛋白质酶水解而破坏，破坏黏粒的酶简称为分离酶。对大多数细胞而言，分离酶通过与保全蛋白结合而保持失活状态。在中-后期转化时，后期促进S合体（APC）因与接头蛋白（Cdc20等）结合而被激活。保全蛋白与被激活的APC E3泛素连接酶相互作用而降解。释放出分离酶，特异性裂解Sccl，破坏剩余的黏粒，导致黏附力最终消失，着丝粒也就一分为二。一旦着丝粒一分为二，两个姐妹染色单体便不再黏附在一起，成为彼此独立的两条子染色体，它们不能抵抗纺锤体微管向外的拉力，分裂开的子染色体被迅速拉向纺锤体的两极（图2）。

2秋水仙素作用机制的探讨

微管是由数以千计的微管蛋白亚基组成的蛋白多聚体，呈一中空的管。微管通过一种独特而有条件的动态不稳定过程进行自组装和去组装。当用低浓度的秋水仙素处理处于分裂期的活细胞时，可立即破坏纺锤体结构。因为秋水仙素阻断微管蛋白的自组装，导致去组装的微管无法及时回补，从而抑制纺锤体的形成或引起纺锤体破坏。体外重组装实验也显示，结合了秋水仙素的微管蛋白可以组装到微管末端，然后阻止其他微管蛋白的加入。

综上所述，可从两个方面对秋水仙素诱变多倍体的作用机制作出探讨性解释。一方面秋水仙素特异性抑制或破坏纺锤体，但对蛋白质的合成等代谢活动不影响或影响较小。当细胞进行分裂时，染色体的复制、黏粒破坏等生命活动仍可正常进行。故尽管纺锤体的形成受抑制或破坏，结果导致细胞不能分裂，但姐妹染色单体仍能最终分开，因此细胞中的染色体数目成倍增加，并进一步重组成一个染色体数目加倍的细胞核；另一方面随着时间的推移，秋水仙素因代谢而降解，其浓度不断下降，以致不能再抑制或破坏纺锤体。于是纺锤体又能重新形成，介导上述染色体数目加倍了的细胞正常完成分裂、分化，经过一段时期以后，最终发育成只有染色体数目加倍的组织或器官，直至新个体产生。

——周明龙.秋水仙素诱导染色体数目加倍的机制.生物学教学.2012年笫8期