光遗传学工具缓解细胞紧张

分裂细胞的膜沿着中心凹陷，将细胞分裂成两个几乎相同的子细胞。现在，用聚焦蓝光照射分裂细胞的两极，您会发现细胞膜的塌陷速度加快。仅用光照射一根杆子，就会使子细胞的形状变形。

细胞如何呈现独特的形状、移动、分裂和组织是由细胞内的机械力调节的。这些机械力是由肌动蛋白丝和非肌肉肌球蛋白II产生的，肌动蛋白丝在细胞皮质(细胞膜正下方的区域)中形成薄网络，非肌肉肌球蛋白II与肌动蛋白网络交联形成肌动球蛋白复合物。

“为了了解细胞如何产生力并塑造其形态，解开肌动球蛋白的作用模式至关重要，”最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇题为“肌动球蛋白收缩性的光遗传学松弛揭示了胞质分裂过程中皮质张力的机械作用”的文章的作者写道。

OptoMYPT系统：蓝光照射诱导SspB-PP1BD和内源性PP1c从细胞质易位至细胞膜，导致细胞膜附近的肌球蛋白失活。[来源：青木实验室]

该研究报告了一种新型光遗传学工具的设计和开发，该工具利用蓝光通过抑制细胞收缩力来放松细胞张力。该工具名为OptoMYPT，由日本国立基础生物学研究所(NIBB)定量生物学部的一个研究小组开发。

“我们相信OptoMYPT将有助于理解涉及肌动球蛋白细胞骨架的各种胚胎学和细胞生物学现象，”NIBB教授、该文章的资深作者KazuhiroAoki博士说。“未来，我们期望它可以用于自由设计细胞和组织的形状，以及形成人造器官。”

该工具旨在灭活负责肌动球蛋白收缩性的非肌肉肌球蛋白II。为了实现这一目标，科学家们使用了一种名为MYPT1的蛋白质来灭活肌球蛋白。MYPT1使磷酸酶PP1c靠近肌球蛋白，导致肌球蛋白去磷酸化和失活。研究人员利用光通过MYPT1的PP1c结合域(PP1BD)来操纵PP1c在细胞中的位置。

该论文的第一作者、研究生KeiYamamoto表示：“我们使用了一种名为iLID的工具来用光控制蛋白质的定位。该工具基于蓝光照射导致iLID蛋白与SspB蛋白结合的想法。首先，iLID蛋白定位于细胞膜，而与MYPT1的PP1BD融合的SspB在细胞质内表达。蓝光暴露通过与iLID结合诱导SspB-PP1BD从细胞质易位到膜，导致内源PP1c共同招募到膜上。最后，膜招募的PP1c使细胞膜附近的肌球蛋白去磷酸化并使肌球蛋白失活。”

作者表明，用蓝光照射哺乳动物细胞和青蛙胚胎足以使肌球蛋白去磷酸化和失活，从而降低细胞的收缩力。

然后，该团队应用OptoMYPT来了解细胞分裂的机制。他们发现，在分裂细胞的两极局部照射蓝光会减弱细胞皮质的张力​​，从而加快细胞分裂的速度。

作者指出：“我们发现OptoMYPT放松两极的皮质张力加速了沟的进入速度，表明皮质张力在很大程度上对抗乳沟沟的收缩。”

当研究人员仅削弱分裂细胞一侧的细胞皮层张力时，两个子细胞之间会发生振荡的细胞质流动，导致它们变形。这表明使用OptoMYPT扰动局部机械力会破坏细胞张力的对称性，而细胞张力是细胞分裂进程的关键。

OptoMYPT在理解细胞分裂机制方面的富有成效的应用表明，该工具可用于探测细胞和组织力学。作者指出，结合红光和蓝光响应光遗传学工具，将有可能通过局部改变细胞和组织中的收缩力来创建复杂的细胞形状。

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