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细胞分裂对于生命至关重要，这个过程中的错误可能导致细胞死亡或与癌症发展相关的基因组不稳定。然而，细胞增殖是如何被调节的仍不明了。
简而言之，体细胞分裂（有丝分裂）是一个细胞分裂成两个基因完全相同的子细胞的过程。在这个过程中，中心体、微管和染色体是关键参与者。这些结构以一种协调且严格调控的方式结合，迅速完成染色体分离。成功的有丝分裂是通过激酶、磷酸酶和蛋白酶的有序互作实现的。
Polo是一种在黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中首次发现的必需的有丝分裂激酶（Llamazares等人，1991年），后来发现它在所有真核生物中都是保守的。在哺乳动物细胞中首次被描述的Polo同源物是Polo样激酶1（PLK1），它是细胞分裂的中心调节因子。Plk1激酶在有丝分裂的几个关键点发挥作用，其中一些功能包括：
视频1. 基于Andor桌面式共聚焦显微镜（BC43）观察活细胞有丝分裂。利用BC43的共聚焦成像模式对哺乳动物细胞进行了超过6小时的成像。在每个时间点，研究人员对8个独立位置进行了成像，每个位置分别获取了3个通道和15层Z轴的信息。视频展示了其中的一个位置。通过观察微管（黄色）和DNA（青色），可以在整个实验过程中观察细胞进入和退出有丝分裂的过程。（青色：DNA，黄色：微管，红色：Sir肌动蛋白）。图片版权：Ines Baião (Santos)、Álvaro Tavares（Universidade do Algarve）, Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor）。
在细胞增殖的调控中，另一个相关的蛋白家族是MOB1样蛋白家族。MOB1样蛋白（MOBs）是激酶活化剂，它与PLK激酶一样，在真核生物界中是保守的。PLK1和MOB1在细胞周期中的定位都是动态的。两者在有丝分裂开始时都定位于中心体，并在细胞质分裂前定位于中体。MOB1的定位特征是细胞质分裂的关键调节因子。事实上，PLK1和MOB1对于细胞质分裂的完成都是必不可少的。
视频2. 基于Andor桌面式转盘共聚焦显微镜对果蝇胚胎的早期分裂进行实时成像。使用BC43的共聚焦成像模式对果蝇果蝇合胞体胚胎进行了成像，视频是3层Z堆栈的最大强度投影（MIP），以青色的GFP-Polo和黄色的Histone 2B-mcherry显示。使用GFP-Polo作为标记可以动态观察有丝分裂，展示出在分裂早期的中心体以及前期到后期的中心体和纺锤体。GFP-Histone 2B允许在有丝分裂中对DNA进行表型定位，并访问（除其他特征外）DNA无法分离的情况。 （青色：GFP-Polo，黄色：Histone 2B-RFP）。图片来源：Ines Baião（Santos）、Álvaro Tavares（Universidade do Algarve）。
MOB1在两种细胞途径中发挥作用，即酵母中的有丝分裂退出网络（MEN）和后生动物中的Hippo途径。MEN控制有丝分裂退出的及时执行。Hippo通路控制细胞周期与组织生长（器官大小控制和再生）之间的协调。值得注意的是，Hippo信号级联的所有核心组分都被证明是肿瘤抑制基因，MOB1也不例外。Hippo通路组分（特别是MOB1）的去调控或功能受损会导致肿瘤发生。
图1. 基于Andor桌面式共聚焦显微镜BC43对哺乳动物细胞有丝分裂的中期进行成像。使用宽场成像模式对固定的哺乳动物细胞进行成像。该图像展示了在实验中成像的20个独立位置中的1个，每个位置获取了双通道及15μm的厚度范围，并且在采集程序中激活了反卷积图像处理选项。进一步，图像在Imaris中进行了处理，并展示的是表面渲染图像的最大强度投影（黄色：微管；红色：DNA）。图像来源：Ines Baião（Santos）, Álvaro Tavares（ Universidade do Algarve）, Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor）.
识别和审查基因未知分子功能的细胞生物学研究促进了新知识的产生。所获得的知识可以（并且经常）用于应用科学以改善人类健康（例如，通过促进新疗法的开发）。
值得注意的是，几种关键的细胞周期调控因子目前正在进行积极的临床试验，以评估其在癌症治疗（以及其他疾病）中的应用。PLK1基因就是如此。美国国立卫生研究院（NIH）的临床试验数据库显示目前有27项研究分析了PLK1抑制剂作为癌症治疗剂或癌症预后标志物的疗效。
总之，细胞周期的完整调控机制尚不明确，肿瘤抑制因子MOB1和致癌基因PLK1完整的分子功能也是如此。因此，更好地理解细胞周期的调控机制无疑将为未来的癌症治疗提供更多见解。
Álvaro Tavares是阿尔加维大学细胞周期与癌症生物学实验室的负责人。Tavares实验室的核心研究是有丝分裂细胞分裂的基础生物学，特别是调节双极有丝分裂纺锤体的形成以及中心体与细胞质分裂之间联系的方面。
该实验室的另一个研究重点是研究非直接有丝分裂细胞功能的蛋白质功能，例如细胞死亡、细胞迁移或不受控制的细胞增殖，致力于了解这些细胞过程的改变如何促使正常细胞转化为癌细胞。
图2. Tavares实验室的照片。从左到右依次为Daniela Silvestre、Inês Lousa、Ines Baião-Santos、Juan Maraver和Álvaro Tavares（团队负责人）。
为了实现上述研究目标，该实验室利用果蝇和人类培养细胞，结合生化、遗传和细胞学技术开展了探究。实验室使用的一些技术示例包括：
Tavares教授在其研究中使用了牛津仪器Andor新型桌面式转盘共聚焦成像仪BC43，我们询问了他使用该系统在细胞分裂领域的成像体验：
"“它非常精巧且易于使用。我发现Andor桌面式共聚焦显微镜能够为活细胞成像提供高质量的图像。该系统无论是对固定样本还是活样本都能产生非凡的结果。”
图3. 使用Andor桌面式共聚焦显微镜的共聚焦成像模式对果蝇胚胎的早期分裂进行了成像。A) 所展示的图像是6个成像视野拼接的结果，覆盖了50微米的Z轴范围。B) 对A)中白色方框内区域的放大显示了早期果蝇胚胎有丝分裂纺锤体的细节。（蓝色-微管，黄色-中心体，品红色-DNA）。图片来源：Ines Baião（Santos）、Álvaro Tavares（Universidade do Algarve），Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor））。.
细胞分裂的准确性对于维持细胞倍性（ploidy）和基因组稳定性至关重要。它依赖于细胞分裂轴的正确建立，而这一过程受到细胞环境及其固有极性（polarity）的控制。Tavares实验室通过两条独立的研究路线探讨了高等真核细胞中细胞增殖的调控机制：1）有丝分裂纺锤体的组装与功能；2）分析Mob样蛋白作为细胞增殖核心调控因子的作用。
图4. 基于Andor桌面式共聚焦显微镜观察哺乳动物的细胞分裂过程。利用BC43的共聚焦成像模式对哺乳动物细胞进行了超4小时的成像。在每个时间点，研究人员对4个独立位置进行了成像，每个位置分别获取了3个通道和15层Z轴的信息。图中展示了其中一个位置的结果，显示出一个细胞依次经历四个有丝分裂阶段：前期（面板A）、中期（面板B）、后期（面板C）和末期（面板D）。（黄色：微管，青色：DNA，时间h：min，sec：ms）。图片来源：Ines Baião（Santos），Álvaro Tavares（Universidade do algarve），Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor）。
中心体确立了有丝分裂纺锤体的极点，中心体数量或结构组织的缺陷可能导致染色体分离异常。高度保守的Ser/Thr激酶Polo样激酶1（PLK1）在具有聚焦极点的功能性双极纺锤体的组装中发挥着关键作用。
Tavares教授首先发现PLK1（polo）对于中心体成熟和细胞质分裂是必需的（Llamazares等人，1991年）。这种激酶被证明是细胞周期进展的关键调节因子，并在科学界引起了极大的兴趣。尽管它一直是深入研究的对象，但PLK1调节纺锤体极点形成的机制仍在细化中。此外，PLK1激酶被发现是一种致癌基因，目前正在多项临床试验中作为癌症治疗或预后标志物的有前景的靶点进行研究。
细胞周期与癌症生物学实验室旨在深入理解PLK1等关键细胞周期调节因子，以期为开发新的和改进的抗癌疗法做出贡献。
图5. PLK1抑制影响哺乳动物细胞分裂的不同阶段。利用BC43的共聚焦成像模式对哺乳动物细胞进行成像，成像条件与图4相同。成像开始6min后（面板B），将PLK1抑制剂（BI-2536，Selleck）添加到细胞中。白色箭头展示了一个在添加PLK1抑制剂时正在完成细胞分裂的细胞。后期（面板B）PLK1抑制诱导卵裂沟的消退并导致分裂失败（面板D），从而产生具有多余中心体的四倍体双核细胞（肿瘤发展的常见特征）（面板E-F）。这强调了PLK1在后期开始后（作为细胞质分裂的调节因子）的作用。青色箭头指示一个在添加PLK1抑制剂时正在启动有丝分裂的细胞（面板A-B）。两个中心体（在面板C中可见）在核膜破裂时未能建立双极纺锤体（面板D）并塌陷形成单极纺锤体（面板E）。如果没有适当的双极附着，细胞就会停留在有丝分裂中（面板F），并且可能会经历有丝分裂或因有丝分裂滑移变成多倍体。（强调PLK1在中心体功能以及双极纺锤体的建立和维持中的作用。）（黄色：微管，青色：DNA，时间h：min，s：ms表示）。图片版权：Ines Baião（Santos），Álvaro Tavares（Universidade do algarve），Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor）。
分析有丝分裂纺锤体关键调节因子的功能重要性的一个例子是实验室对Spindly基因的研究。Spindly染色体正确附着到纺锤体微管以及染色体分离所必需的。紫杉醇是一种稳定微管的药物，它会损害细胞分裂，被广泛用于癌症治疗。然而，对治疗的耐药性及其高毒性和副作用是使用这种化学物质的重要问题。
与Hassan Bousbaa博士（CESPU，葡萄牙）合作，测试了将spindly抑制剂和紫杉醇同时用作抗癌剂的联合方法。结果令人鼓舞，spindly抑制剂和微管稳定药物的联合作用加剧了用低剂量紫杉醇治疗的癌细胞的细胞死亡反应（Silva等人，2017年）。
Tavares教授实验室的第二个研究重点是MOB样蛋白在细胞增殖中的功能。MOB样蛋白是激酶伴侣，在细胞周期的不同阶段发挥作用。例如，它们是Hippo信号通路的关键组成部分，该通路协调细胞增殖和器官生长。
该团队已经证明，MOB1对于细胞分裂的最后阶段——细胞质分裂是必需的，它能够促进微管的去稳定化（Florindo等人，2012年）。
与Helena Soares博士（IGC，葡萄牙）合作，使用纤毛原生动物 嗜热四膜虫 进一步研究了MOB1的中心粒功能。结果表明，MOB1是一种内在细胞极性标记，这是在该生物中首次描述的分子极性标记（Tavares等人，2012年）。与哺乳动物细胞一样，四膜虫 中MOB1的下调会导致细胞质分裂失败。结合哺乳动物细胞中的结果，MOB1的缺失会增加胞质分裂后的细胞运动性，并在 G1 期诱导延长的中心粒分离，该研究小组提出了 MOB1 是细胞分裂后恢复完全间期极性所必需的假设。值得注意的是，MOB1的下调在果蝇和小鼠中都导致肿瘤形成。
视频3. 通过使用 EB1-GFP 跟踪微管生长尖端来分析微管动力学。使用BC43的共聚焦模式对表达EB1-GFP的Hela细胞进行成像。成像持续6分钟，帧率为每秒2帧。可以清楚地观察到微管及其末端从进入有丝分裂的细胞着丝粒中生长出来。（注意：1 - 有丝分裂的失败可能由微管动力学受损引起，2 - 一些癌症治疗直接针对微管动力学，例如紫杉醇）。图片来源：Ines Baião（Santos）、Álvaro Tavares（Universidade do Algarve），Claudia Florindo（Oxford Instruments - Andor）。
重要的是，MOB样蛋白在真核生物界中高度保守。这方面的一个例子是从小鼠到人类100%蛋白质的同一性，表明其具有基本且保守的功能。在进化中，从较不复杂的生物到更复杂的生物，常常发现基因复制事件。MOBs也不例外，在哺乳动物中，存在7个MOB样基因。
仍有几个问题需要回答：
Tavares实验室正试图回答这些问题，以回答细胞分裂的基本方面。 这些问题的答案无疑将为癌症治疗的新发展打开大门。
最后，Tavares教授告诉我们，这些研究的执行在很大程度上依赖于显微成像技术。我们询问了他对BC43性能的最终评价，他的回答是：
“Andor桌面式共聚焦显微镜在活细胞分裂成像中获取高质量结果的能力上表现出色。我发现它是一个小巨人：小体积，高图像质量。”
| 关键术语： | |
| 有丝分裂（Mitosis） | 有丝分裂是一个细胞分裂成两个具有相同遗传内容的子细胞的过程。有丝分裂由4个阶段组成（前期、中期、后期、末期），可以通过分析微管和/或染色体（DNA）在视觉上进行区分。 |
| 紫杉醇（Paclitaxel） | 紫杉醇是一种稳定微管并导致细胞周期停滞的化合物。在化疗中被用作多种类型癌症的治疗药物。 |
| Spindly | Spindly是一种蛋白质，通过控制染色体与纺锤体的双极附着来确保染色体的正确分离。 |
| MOB样基因（MOB-like genes） | MOB样基因是从酵母到人类中保守的基因家族。MOB样蛋白是激酶伴侣。人类中有7个MOB样基因，其中之一是肿瘤抑制基因MOB1。 |
| 有丝分裂纺锤体（Mitotic Spindle） | 有丝分裂纺锤体是一种驱动染色体分离到子细胞的大分子复合物。它由数百种蛋白质和大分子复合物组成，并且微管也是其重要组成部分。 |
| 中心体（Centrosome） | 中心体是一种细胞器，负责纺锤体微管的成核和极点的聚焦。分裂细胞有两个中心体，分别位于有丝分裂纺锤体的两极。异常的中心体数量常导致异常的有丝分裂，这在许多肿瘤中都被发现。 |
| 微管（Microtubule） | 微管是由α-和β-微管蛋白组成的聚合物，是细胞骨架的一部分，维持细胞的形状和结构。微管是纤毛和鞭毛的重要组成部分，并参与许多细胞过程，如细胞运动、囊泡运输等。此外，微管在有丝分裂中至关重要，是纺锤体的重要组成部分。 |
| 激酶（Kinase） | 激酶是将磷酸基团从高能分子转移到其底物的酶。激酶通过磷酸化其底物来调控复杂的细胞过程。有丝分裂高度依赖于激酶的调控。 |
| PLK1 (Polo) | Polo 样激酶 1 PLK1/Polo（果蝇中的 polo）是一种关键的有丝分裂调控激酶，其功能涉及细胞周期的多个关键点，包括：1）G2/M期转换；2）中心体成熟；3）双极纺锤体的形成；4）促进染色体的双极附着；5）细胞质分裂。PLK1是一种原癌基因，在多种肿瘤中过表达。 |
| 肿瘤抑制基因（Tumour suppressor gene） | 这些基因的功能丧失会导致细胞过度增殖（即肿瘤发展）。肿瘤抑制基因通常起到“刹车”的作用，以抑制不恰当的细胞分裂和/或刺激细胞死亡。 |
| 癌基因（Oncogene） | 癌基因是一种通过突变或过表达获得功能后会促进癌症形成的基因。 |
| 细胞质分裂（Cytokinesis） | 细胞质分裂是细胞分裂的最后阶段，胞质分裂成两个子细胞。为了保持基因组的稳定性，细胞质分裂必须在正确的染色体分离后发生。 |
| 中体（Midbody） | 中间体是在胞质分裂结束时形成的结构，就在细胞分裂的最后阶段——脱落之前。中间体由微管束组成，这些微管需要在最后的细胞分离阶段进行解聚。 |
| Hippo通路（Hippo Pathway） | Hippo通路是一条进化上保守的信号通路，通过调控细胞增殖和凋亡来控制器官的大小。Hippo通路的激活会导致细胞增殖停止，而Hippo通路的失调会导致细胞过度增殖和癌症发展。人类肿瘤样本的分析会显示多个Hippo通路组分的广泛失调。 |
| 有丝分裂退出网络（MEN，Mitotic Exit Network） | MEN是最初在酵母酿酒酵母中描述的信号级联反应，它控制有丝分裂的出口并促进细胞的正确分裂。 |
参考文献：
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