Science | 细胞分裂的最后一“刀”——USP8调控ESCRT-III决定不完全分裂

克隆多细胞由单细胞前体（single-cell precursor）的不完全分裂产生，并通过细胞质桥（cytoplasmic bridges）连接成姐妹细胞群。这种机制是单细胞生物菌落形成和多细胞生物出现的基础【1】，也是大多数脊椎动物和无脊椎动物配子发育的一个保守特征，其中姐妹细胞的胞囊共享相同的细胞质【2】。在果蝇卵子发生期间，细胞展示出完全或不完全的细胞分裂。如图1A所示，生殖系干细胞（germline stem cells, GSCs）在卵巢（germarium）内首先进行完全分裂（complete cytokinesis）产生一个单细胞前体，称为成囊细胞（cystoblast, CB）；然后，每个CB经历4轮不完全分裂，产生由16个姐妹细胞组成的生殖系胞囊（germline cysts），所有细胞都由称为环管（ring canals, RC）的细胞质桥连接（图1B）【3】；最终，germline cysts中只有一个细胞会发育成为卵母细胞。2021年英国剑桥大学D. St. Johnston研究组在Science发表文章 Symmetry breaking in the female germline cyst，揭示了卵母细胞是如何在germline cysts中脱颖而出获得命中注定的卵母细胞命运（详见Bioart报道“Science | 打破对称！卵母细胞如何脱颖而出？”）。但目前关于配子发育过程中切换完全和不完全细胞分裂的分子机制还不清楚。

图1.（A）雌性卵巢和生殖系干细胞（GSC）的细胞谱系；（B）卵巢中的有丝分裂区域，MB-midbody，RC-ring canals。

近日，来自法国巴黎文理研究大学的Jean-René Huynh团队在Science杂志上在线发表了一篇题为The deubiquitinase USP8 targets ESCRT-III to promote incomplete cell division的研究论文，揭示ESCRT-III的泛素化是完全和不完全细胞分裂之间的主要开关。研究人员发现果蝇中去泛素酶USP8的缺失可以将生殖细胞的不完全分裂转化为完全分裂；相反，在生殖系干细胞（GSCs）中过表达USP8足以实现从完全分裂到不完全分裂的反向转化。USP8通过对ESCRT-III蛋白CHMP2B和Shrub/CHMP4的去泛素化实现对两种细胞分裂类型的转换。

为了鉴定参与germline cysts形成的基因，作者表达了一组shRNA并筛选具有异常数量细胞核（正常是16个）的卵室（egg chambers，图1A）。靶向去泛素化酶USP8的两个独立shRNA诱导形成了由8个、4个或2个细胞核组成的卵室（图2C和E）。这些卵室是由卵巢异位细胞动力学脱落（abscission）导致cysts部分破裂引起的。作者仅在表达USP8 shRNA的cysts中观察到了由融合体（fusome）形成的中体样结构（midbody-like structure）（完全脱落的特征）（图2D和F）。那么USP8是否足以抑制正常完成脱落的细胞中的胞质分裂？作者在GSCs中过表达USP8后，观察到了稳定细胞质桥的形成，这导致CB由2个细胞组成，卵室由32个细胞组成（图2G）。这些结果表明，USP8对于促进生殖系和体细胞中的不完全分裂是必要且充分的。

图2. 果蝇卵巢共聚焦成像分析

作者在Usp8^KO cysts中表达了USP8-C572A（去泛素化酶活性失活的突变体），发现与野生型（WT）USP8相比，USP8-C572A无法拯救germline cysts的破裂，表明USP8 DUB活性是调节脱落所必需的。USP8位于细胞分裂部位，即GSC/CB的中体、germline cysts的RCs和卵泡细胞RCs。Usp8缺失后，异位MB的泛素化蛋白积累，提示USP8的靶标可能定位于脱落部位。人USP8的N端微管相互作用和运输（microtubule interacting and transport, MIT）结构域与ESCRT-III蛋白相互作用，ESCRT-III蛋白被认为是几种膜断开事件的驱动力，包括脱落【4-6】。作者发现，三种果蝇ESCRTIII蛋白，包括CHMP1（charged multivesicular body protein 1）、CHMP2B（charged multivesicular body protein 2b）和Shrub（the unique Drosophila homolog of CHMP4），都可以与USP8相互作用。表达WT USP8可以显著减少CHMP2B和Shrub的泛素化水平，相反，USP8-C572A（可以与ESCRT-III相互作用）对它们的泛素化没有影响。

Shrub、CHMP2B和CHMP1位于RCs和GSC/CB的MB【7】，但不在cyst RCs中。在缺失Usp8 的cysts中，Shrub、CHMP2B和CHMP1均位于异位中体和cyst RCs。那么ESCRT-III的异位定位是USP8缺失引起的异位脱落的原因？作者降低了Usp8缺失cysts中的Shrub或CHMP2B水平，发现处于分裂中的4-cells cysts比仅缺失USP8 cysts中的少，表明USP8需要对Shrub和CHMP2B进行去泛素化，以阻断它们在RCs和随后的脱落处的定位，从而形成16-cell germline cysts。进一步，作者用Shrub不能被泛素化的变体Shrub-KR来替代GSCs中的内源性Shrub，评估了在完全脱落过程中ESCRT蛋白泛素化的相关性。当作者将GSCs中两个拷贝的Shrub都移除，Shrub-KR的补偿效果很差，然而Shrub-WT拯救了Shrub突变生殖系克隆。在未拯救的GSCs中，Shrub-KR仅形成细胞质聚集体，并且未定位在RCs。这些数据说明，在GSCs和germline cysts中，USP8去泛素化ESCRT-III蛋白进而抑制它们在细胞间桥的定位。

尽管USP8在两种细胞类型中都有表达，但ESCRT蛋白在germline cysts中几乎检测不到，它们在GSC MB中积累。这种矛盾可以通过GSCs和germline cysts 之间细胞周期长度的差异来解释：GSCs在24h内循环，需要约15h才能完成脱落；相比之下，cysts在24h内经历4轮有丝分裂，即每个周期6h（图3）。在GSCs中，作者检测到了有丝分裂后15h内ESCRT-III蛋白在GSC-CB细胞间桥的逐渐积累，而ESCRT-III在cysts细胞中几乎无法检测到。在没有Usp8的情况下，CHMP2B也在异位脱落的cysts细胞中逐渐积累。USP8表达水平沿着细胞周期变化，在有丝分裂期间达到峰值。这些观察结果表明，在GSCs中，ESCRT蛋白有时间积累到下一次有丝分裂前完成脱落，而在cysts中，较短的细胞周期和USP8的高表达阻止了ESCRT积累并稳定不完全分裂。在该模型中，有丝分裂期间不同细胞周期长度和USP8积累的组合足以解释从完全细胞分裂到不完全细胞分裂的转变（图3）。

图3. 卵巢中ESCRT水平随时间变化的示意图

总的来说，该研究表明ESCRT-III的泛素化对于调节完全和不完全分裂之间的切换至关重要。作者提出了一个模型，在该模型中USP8去泛素化ESCRT-III蛋白Shrub和CHMP2B，从而防止完全脱落，并允许姐妹细胞通过稳定的细胞质桥保持连接。GSC和germline cysts均表达Usp8和几种ESCRT-III蛋白，尽管脱落的结局不同。作者认为完全和不完全脱落没有本质上的区别，主要是两种情况下由细胞周期调节的脱落持续时间有所不同。

原文链接:

https://science.org/doi/10.1126/science.abg2653

制版人：十一

参考文献

1. S. R. Fairclough, M. J. Dayel, N. King, Curr. Biol. 20, R875-R876 (2010).

2. M. E. Pepling, M. de Cuevas, A. C. Spradling, Trends Cell Biol. 9, 257-262 (1999). 

3. J. R. Huynh, D. St Johnston, Curr. Biol. 14, R438–R449 (2004).

4. J. Guizetti et al., Science 331, 1616-1620 (2011).

5. J. Schöneberg, I. H. Lee, J. H. Iwasa, et al, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 18, 5-17 (2017).

6. B. Mierzwa, D. W. Gerlich, Dev. Cell 31, 525-538 (2014).

7. N. R. Matias, J. Mathieu, J. R. Huynh, PLOS Genet. 11, e1004653 (2015).