这项研究由Ivonne M. Sehring、Bo Dong、Elsa Denker、Punit Bhattachan、Wei Deng、Birthe T. Mathiesen和Di Jiang等人完成，他们来自挪威卑尔根大学SARS国际海洋分子生物学中心。该论文于2014年2月4日发表在期刊 PLOS Biology 上。研究的主要科学问题是：海鞘（*Ciona intestinalis*）脊索细胞在不进行细胞分裂的情况下，如何实现个体的伸长。作者发现，这些细胞采用了一种类似胞质分裂的赤道肌动球蛋白收缩机制来驱动细胞伸长，而非细胞分裂。
在胚胎发育过程中，细胞形状变化和细胞增殖是形态发生的两种基本策略。脊索是脊索动物胚胎中一个解剖上居中的结构，对双侧对称身体计划的建立及身体伸长至关重要。在简单脊索动物海鞘中，脊索仅由40个圆柱形细胞单列排列组成。其伸长分为三个连续阶段：汇聚延伸、单个细胞伸长和细胞迁移。在单个细胞伸长阶段，细胞长度显著增加而直径显著减小。此前观察到，每个细胞中部出现一个圆周缩痕，并且该缩痕处存在肌动球蛋白环，这提示其形成机制与胞质分裂中的分裂沟类似。然而，与胞质分裂不同，海鞘脊索细胞不进行分裂。因此，本研究旨在阐明这一赤道肌动球蛋白环的组成、动态及其驱动细胞伸长的具体机制。
研究团队首先验证了脊索细胞的有丝分裂后状态。通过溴脱氧尿苷（BrdU）掺入实验检测DNA合成，结果显示脊索细胞中没有BrdU掺入，而头部和背神经管中的增殖细胞呈阳性。通过抗磷酸化组蛋白H3（PH3）免疫组化检测有丝分裂，也未在脊索细胞中观察到阳性信号。这证明伸长中的脊索细胞确实是终末分化的非分裂细胞，其赤道缩痕的形成并不伴随细胞周期事件。
接下来，研究团队详细分析了赤道肌动球蛋白环的分子组成。利用针对磷酸化肌球蛋白调节轻链（pS19 MRLC）的特异性抗体和鬼笔环肽标记的肌动蛋白丝，他们发现两者在脊索细胞的赤道皮层区域共定位。此外，通过免疫组化和荧光融合蛋白表达，他们发现丝切蛋白（cofilin）、α-辅肌动蛋白（α-actinin）、原肌球蛋白（tropomyosin）和踝蛋白（talin）均定位于赤道区域。值得注意的是，α-actinin、tropomyosin和talin的荧光信号在赤道区域分布较宽，而cofilin-mCherry的信号则严格局限于赤道处的一条窄带。此外，荧光标记的IQGAP、anillin和septin 2也定位于赤道皮层。这一分子组成与分裂细胞分裂沟中的收缩环极为相似。
在细胞伸长过程中，研究者在基底表面观察到频繁的膜变形。活细胞延时成像显示，这些变形分为快速膨胀期（约27秒）和缓慢回缩期（约182秒）。在膨胀期，膜皮层缺乏肌动蛋白，类似于其他系统中的膜泡（bleb），表明膜与肌动蛋白皮层发生了瞬时分离。在回缩期，肌动蛋白被招募到膜泡皮层，且tropomyosin、cofilin和MRLC在肌动蛋白出现之前即被招募。这表明膜泡回缩代表了基底表面的局部收缩事件。进一步的定量分析显示，基底膜泡样收缩在伸长阶段以相似频率（0.42±0.05次/细胞/分钟）持续发生，且大多数膜泡形成于赤道缩痕旁边。研究团队通过时间交叉相关分析发现，基底膜泡的回缩与顶端/管腔膜沿前后轴的位移高度相关（平均相关系数r = 0.76±0.05），且膜泡回缩先于顶端膜向外运动约50秒。这表明基底表面的离散局部收缩可以转化为沿细胞伸长方向的纵向推力。
为了揭示赤道收缩环的形成机制，研究团队利用多种荧光探针（Lifeact-mEGFP、mCherry-utrophin、mCherry-hactin和mCherry-MRLC）追踪了肌动蛋白和肌球蛋白丝的动力学。延时成像显示，周向排列的肌动蛋白丝从赤道区域边界向赤道方向流动，同时来自侧域的纵向短肌动蛋白丝也向赤道移动，并在接近赤道时重新取向、对齐并融入周向丝。肌球蛋白丝也表现出类似的向赤道定向流动。单丝追踪测得的平均流速为33.9±4.9 nm/s，光漂白后荧光恢复（FRAP）实验测得的流速为40.8±3.8 nm/s。FRAP实验还显示，赤道区域荧光恢复的半衰期为54.24±7.59秒，且前部和后部区域的恢复快于中部区域，进一步证实了肌动蛋白丝向赤道的定向流动。肌动蛋白和肌球蛋白丝在赤道区域仅有部分共定位，表明肌球蛋白丝并非简单地沿肌动蛋白丝滑向赤道。
为了确定关键组分在细胞伸长中的功能，研究团队采用了遗传学方法。他们发现，cofilin在赤道处呈窄带分布，提示其介导的肌动蛋白解聚对于维持赤道处肌动蛋白丝的稳态周转至关重要。通过表达磷酸化模拟突变体cofilin-S5E（显性负性突变体），研究团队发现37%的表达该突变体的脊索细胞出现形态异常，包括缩短、直径增大、哑铃形或被挤出脊索。同时，肌动蛋白在突变细胞中异常积聚于赤道之外。这表明cofilin介导的肌动蛋白丝解聚是细胞正常伸长所必需的。
类似地，研究团队构建了α-actinin的显性负性突变体α-actinin-rod，该突变体缺失N端肌动蛋白结合域，但能形成异源二聚体并占据膜上的锚定位点。表达该突变体的脊索细胞中，33%出现异常形态，周向肌动蛋白丝不再局限于赤道区域，而是在整个基底表面游走，缩痕位置也偏离赤道。这表明α-actinin在将收缩性肌动蛋白丝锚定于赤道膜上起着关键作用。
此外，对脊索末端细胞（第1号和第40号细胞）的观察提供了进一步的证据。这些细胞只有一个脊索细胞邻居，不形成赤道肌动蛋白环，也不发生伸长。人为切割胚胎制造新的末端细胞后，这些细胞同样不能形成缩痕和伸长。这有力地支持了赤道肌动球蛋白环对细胞伸长是必不可少的。
研究团队还在尾索动物另一类群——附尾类（appendicularian）的 Oikopleura dioica 中检查了脊索细胞。尽管 Oikopleura 与海鞘在演化上分歧较早，其伸长中的脊索细胞同样在赤道区域存在周向基底缩痕和肌动蛋白环。这表明赤道周向收缩是一种演化上保守的驱动细胞或组织伸长的机制。
这项研究得出以下结论：海鞘脊索细胞利用一种类似胞质分裂的赤道肌动球蛋白收缩机制驱动自身伸长，而非进行细胞分裂。该机制的建立包括：(1) 通过皮层流动将肌动蛋白和肌球蛋白丝定向招募至赤道；(2) cofilin在赤道处介导肌动蛋白丝的解聚和周转，维持环的动态稳态；(3) α-actinin将收缩性肌动蛋白丝锚定于赤道膜上，确保缩痕位置正确。同时，基底表面的膜泡相关局部收缩提供了额外的纵向推力。赤道环的收缩和基底局部收缩协同作用，共同促进细胞伸长。这项研究的意义在于，它揭示了一种完全不同于传统认知的细胞伸长机制：细胞可以借用胞质分裂的分子机器来实现形态变化而非分裂。这一发现拓展了我们对肌动球蛋白环在发育中功能多样性的理解，并提示周向收缩是演化上多尺度可扩展的生物物理策略，可用于单个细胞乃至整个胚胎的伸长。
本研究的亮点包括：首次详细描述了非分裂细胞中赤道肌动球蛋白环的分子组成和动态组装过程；通过遗传学手段（显性负性突变体）在体内特异性地干扰脊索细胞中的肌动球蛋白网络，确立了cofilin和α-actinin在细胞伸长中的功能；发现了基底膜泡相关局部收缩与纵向伸长之间的时空耦合关系；并通过对 Oikopleura dioica 的比较分析，提出了周向收缩作为演化上保守的形态发生机制的假说。此外，研究还注意到脊索细胞中存在一些细胞周期相关事件的残余迹象，如Cdc45的表达和中心体的复制，这为未来研究细胞周期机制在非分裂细胞中的独立功能提供了线索。