介绍
细胞核是内膜系统的一个特殊部分，1）的存在将真核生物（如植物、动物、真菌、黏菌和各种单细胞生物）与原核真细菌和古细菌区分开来。破译最后的真核生物共同祖先（LECA）核特征的努力，今天所有有核生物都是从LECA进化而来的[1]，仍然具有挑战性，部分原因是导致第一真核生物共同祖先（FECA）细胞核起源的事件顺序仍然不确定且有争议[1–4]，细胞内结构很少保存在化石记录中（例外情况见[5,6]). 然而，今天所有真核生物之间共享的特征或蛋白质不太可能独立出现在多个谱系中，可以追溯到它们在LECA中的根源，这表明它是一个具有核孔复合体（NPC）和核质转运机制的复杂有机体[1]。我们还知道，随后的真核生物辐射以及当今真核生物核结构和功能的多样化[7–9]是LECA大约15亿年进化的产物。
值得记住的是，这种多样性不一定是由自然选择驱动的，因为非适应性过程也可以塑造进化过程[10]。例如，通过遗传漂变，所有种群中的基因频率都会发生变化，在小种群中更是如此，这使得对自然选择反应较弱的小种群更容易受到有偏见的突变压力的影响。事实上，有人提出，分子生物学、基因组结构和细胞生物学的许多方面都是构造性中性进化的结果，在这种进化过程中，复杂性在没有功能后果的情况下会增加[10–12].
目前关于当今生物细胞核的知识状态仅限于相对少数模型生物细胞核的详细特征[在13]在狭义但全面的形态学调查中，例如真菌[7]或原生动物[8]。这篇综述的目的不是描述有丝分裂核的完全多样性，而是讨论关于其进化的已知和未知。我们将首先简要描述所有细胞中细胞核的一般特性，以及有丝分裂细胞核从完全开放到完全封闭的各种特性，以便提供考虑其进化历史的事实框架。接下来，我们考虑一些可能的早期进化对从一种有丝分裂形式向另一种形式过渡的影响。这将提供一个起点，从中可以讨论关于开放和封闭有丝分裂进化的许多挑战性问题。重建这种进化历史最终将使该领域能够解决这样的问题：原子核的哪些物理约束和性质可能影响了这些进化转变？它们有什么适应目的？为什么这些差异保留在当今生物中？
进行开放或封闭有丝分裂的细胞核具有共同和独特的特性
在间期（非有丝分裂）细胞的细胞核中，去凝聚的染色体被核膜（NE）完全包围并固定在核膜上[13] (). 间期细胞核染色质的非随机组织[14]在一定程度上取决于一组在细胞核内膜（INM）富集的蛋白质[15,16] (). 这些INM蛋白直接或间接与特定染色质域相互作用，将其锚定在核外周[15,17]基因通常转录不活跃[18,19]，也可能为NE提供结构支撑。NE被选择性渗透孔隙穿孔() [13]通过核蛋白进出口的精确调控，使细胞能够在整个东北部建立可溶性蛋白的浓度梯度[13].
相间核双磷脂双层结合核是内质网（ER）中的一个特殊区域，在间期中承载真核细胞的染色体。内（INM）和外（ONM）核膜相互连续，并与内质网相连，但INM富含INM蛋白的特殊集合[15,16]它们在内质网中合成（如图所示），然后转运到ONM，然后再转运到INM，在那里它们通过与染色质和/或核外周的其他蛋白质结合而被保留。核膜（NE）由核孔复合体（NPC）穿孔，其围绕着核孔，水通道在核质和细胞质之间形成选择性渗透屏障。几乎没有例外[36,47]，完整NE上的物质交换仅限于允许一些小分子和蛋白质自由扩散的NPC，以及较大货物的选择性Ran-GTP酶依赖性交换[13]。在细胞周期的间期（细胞没有有丝分裂的时候），染色体解凝聚，NE完整，INM的一些蛋白质（例如哺乳动物细胞的核纹蛋白或酵母的端粒或异染色质结合蛋白），锚定特异性染色体结构域，如非转录异染色质和端粒，到核外周。
当细胞准备有丝分裂时，染色体从NE释放并浓缩成有丝分裂构型，而细胞骨架的细胞质微管重新组织成有丝纺锤体。在有丝分裂过程中，纺锤体伸长并将染色体分离成两个子细胞().
有丝分裂中的细胞核原子核从相间状态急剧变化()当细胞进入有丝分裂期。先前与核外周相连的染色质被释放，染色体浓缩成有丝分裂中期形态，微管细胞骨架是典型的（但并不总是如此[44,48])由微管组织中心（称为中心体或纺锤体极体（SPB））重组为有丝分裂纺锤体，纺锤体附着在细胞的对侧，然后将复制的染色体分离。
分裂酵母菌的闭合有丝分裂是有丝分裂特异性核变化的两个最典型的例子葡萄裂殖酵母和发芽酵母酿酒酵母其中NE保持完整（2-A），哺乳动物细胞开放有丝分裂（2-E）中NE分解。还有一些有丝分裂的例子，由于各种原因，不能被描述为严格开放或严格关闭（2-B、2-C、2-D）。
A.在一些酵母细胞的有丝分裂过程中，复制的SPB在有丝分裂时嵌入核膜，并在细胞核范围内形成有核分裂纺锤体。根据定义，NE中SPB的存在对于这种闭合的有丝分裂至关重要。在一些生物体中，SPB在间期和有丝分裂期间嵌入NE（例如。酿酒酵母)而在另一些细胞中，它位于细胞质中，在间期与NE非常接近，并在有丝分裂时进入NE（例如。S.pombe公司)[30]。当纺锤体伸长并向原子核的相对侧施加压力时，球形原子核分裂成两个较小的球体。闭式有丝分裂的这些特性在酿酒酵母和S.pombe公司但不一定是其他酵母、真菌或其他进行闭合有丝分裂的生物体的典型特征，其中一些在细胞核内不形成纺锤体[7].
B、 有些类型的有丝分裂既不开放也不封闭。有一些细胞从NE嵌入的SPB组装核内有丝分裂纺锤体，但后来在NE中形成有丝分裂孔，如在分裂酵母中日本裂殖酵母[24,25]。在一些细胞类型中，如多核果蝇黑腹食肉动物胚胎[23]（B），细胞核只经历部分NEBD。在其他单元格类型中，例如甲壳动物[7,26]，NE形成极性开口，细胞质纺锤体通过其延伸（C）。NE超微结构完整的细胞也可能有一个破坏的通透性屏障，由于NPC成分和/或通透性（D）的变化，如丝状真菌的有丝分裂周期，导致核质和细胞质的混合，巢状曲霉[29]在分裂酵母的减数分裂过程中S.pombe公司[27,28].
E.在NEBD引起的哺乳动物细胞开放有丝分裂中，核层粘连（在间期排列内NE）解聚，NPC解体，NE重组为有丝分裂ER[21,37]核板和NPC的一些膜相关成分也重新定位。虽然也有例外（例如，Planarians缺乏中心体[48])在动物细胞中，有丝分裂纺锤体通常由中心体组织，只有在NEBD后才能接触到染色体。与酵母中心体的功能等价物（纺锤体极体）不同，中心体不嵌入NE，即使在间期，尽管它位于细胞质中，与NE紧密相连[44,49]。有丝分裂后，叶片的膜相关成分和浓缩的有丝分裂染色体重新结合，使NE有核重组[50].
根据NE在有丝分裂过程中的形态连续性，如电子显微镜所评估的那样，细胞历来被归类为处于闭合有丝分裂状态，其中NE在染色体周围保持完整，就像某些酵母一样()，或开放性有丝分裂，NE在其中分解，如在哺乳动物细胞中(). 介于这些极端例子之间的斜接()，其中存在NE，但不连续[7–9,20]被描述为半开放、半封闭或部分开放。如下文所述，即使是看似简单的术语“开放”和“封闭”也需要小心使用，因为我们现在了解到，NE在有丝分裂中的行为方式有很多不同，不仅仅是在电子显微镜上的表现。
在酵母的有丝分裂过程中()，纺锤体极体（SPB）嵌入NE，核内形成核纺锤体。随着纺锤体的伸长，它改变了最终分裂为两个子核的核的形状。在整个细胞周期中，NE保持完整。相反，当哺乳动物细胞开放有丝分裂中NE完全分解（NEBD）时()，INM相关的核膜支架和NPC被分解，导致NE的间期蛋白梯度消散，NE重组为有丝分裂内质网（ER）[21,22].
NE的多种有丝分裂功能是相互依赖的，有多种类型的有丝分裂既不属于开放型也不属于封闭型(). 例如，穿过NE的渗透屏障将核质与细胞质分开()部分NEBD可在有丝分裂中破坏[23]在某些细胞类型中，或通过在NE中形成瞬态空穴() [7,8,24–26]在其他方面。NE的通透性屏障也可能在进行有丝分裂或减数分裂的细胞中丢失，这些细胞的NE超微结构完整，但核质运输或NPC组成发生改变() [25,27–29]。NE中也可能存在尚未检测到的小的或暂时的破坏，可能伴随着酵母和其他真菌中NE中SPB的插入或挤出[30]。在这些情况下，NE保留了从细胞质结构物理上分离染色体的能力，但在完全NEBD的细胞中没有。
细胞核的哪些特性可能影响了开放式与封闭式有丝分裂的进化？
尽管我们还不能重建开放式、封闭式或其他形式有丝分裂的进化史，我们甚至不知道LECA是否经历过开放式或封闭式有丝分裂[31]，我们确实知道在有丝分裂的开放和闭合之间存在着多重进化转换。例如，Opisthokonta分支包括后生动物，如进行开放有丝分裂的人类，也包括真菌，如芽殖和分裂酵母，进行封闭有丝分裂。类似地，Archaeplastida分支包括陆地植物，例如拟南芥有丝分裂和一些藻类，如红藻C.梅罗莱[32]，有丝分裂关闭。因为真核生物是单系生物，这意味着它们有一个共同的祖先，它们的共同属性很可能存在于这个古老的祖先中，它们的差异反映了进化的转变。由于一个分支中的所有物种都有一个共同的祖先，一些生物经历了开放式有丝分裂，而另一些生物则与这些分支一起经历了封闭式有丝裂，这表明在该分支中，开放式和封闭式有核分裂之间至少有一个过渡。封闭有丝分裂和开放有丝分裂甚至可以在同一生物体的不同生命周期阶段共存，如黏菌多头绒泡菌[33].
记录区分开放有丝分裂和封闭有丝分裂的结构和功能差异或每一类别内的变异()是提出核进化问题的重要起点。尽管人们很容易猜测特定核特性对细胞的相对益处，但重要的是要记住，当今的细胞也可以反映中性甚至非适应性进化变化的影响。
转座因子可能影响有丝分裂从封闭到开放的转变吗？
目前尚不清楚是什么进化过程导致了现今生物体有丝分裂期间NE特性的变化。由于不同分支的植物和动物都经历开放式有丝分裂，因此很容易推测，某种共同的进化力量负责这种共享的分裂形式。这两个分支的一个显著特征是它们的基因组膨胀，这在很大程度上可以归因于它们所包含的转座因子的高比例[34,35]。转座因子和开放有丝分裂在动植物中的流行可能不是巧合：在这两个谱系中，转座因子可能负责从封闭有丝分裂过渡到开放有丝裂。
原则上，闭合的NE可以作为在细胞质和细胞核之间转移的转座元件的屏障。一个能够在包膜中诱导穿孔的转座元件可以增强对基因组的访问，这可能赋予它很大的选择性优势。与开放性有丝分裂相关的NEBD可能是这样一种穿孔诱导的结果，当相关转座因子固定时，穿孔被固定。这种机制似乎是合理的，因为当今细小病毒通过在其通过的内层和外层NE中创建短暂间隙，以类似的方式发挥作用36]。通过重构NEBD相关因子的进化历史并识别由转座因子产生的因子，可以最清楚地证明转座因子假说。这可能是一个挑战，因为最初导致有丝分裂向开放性有丝分裂过渡的因素可能与现存生物体中调节这一过程的因素不同[22,37]。此外，决定NEBD发生时间的上游信号可能与直接参与核膜破裂的因素具有不同的进化历史。这种转座因子假说可能解释了从封闭有丝分裂到开放有丝分裂的转变，但它并没有提供一种机制来理解不同类型的开放有丝有丝分裂之间的转变，例如，这似乎同样足以提供对基因组的访问，开放性有丝分裂之间的转换，包括或不包括完整的NEBD，或由于NPC结构改变而失去或改变其通透性屏障功能的有丝分裂细胞之间的转换().
不相容的异体异位体可能会驱动有丝分裂从封闭到开放的转变吗？
虽然转座因子假说提出了基因组扩张和开放性有丝分裂的共同原因，但另一种可能性是基因组大小的增加可能直接推动向开放性有核分裂的过渡。这种情况可能发生的一种方式是通过基因组大小增加驱动的不相容的异速性（生物尺度关系）。真核生物细胞核中DNA的密度大致恒定[38–40]核体积和纺锤体长度都随基因组大小而变化，尽管它们的变化方式不同。核体积与基因组大小成线性关系[38,40]因此，核半径随着基因组大小的立方根增长。相反，纺锤长度似乎与细胞体积近似成线性关系[41,42]，它与基因组大小大致呈线性变化[43]。这意味着随着基因组大小的增加，纺锤体长度将比核半径增长更快。如果祖先状态是一个基因组较小且有丝分裂闭合的细胞，那么随着基因组大小在进化过程中的增加，它将不可避免地达到纺锤体无法进入细胞核的状态。有丝分裂期间去甲肾上腺素的分解使两种异基因都得到满足。不相容异形体假说的一个明确预测是，当映射到系统发育时，有丝分裂从封闭到开放的变化应该与通过临界大小的基因组相关。不幸的是，目前还不能进行这样的测试，因为没有足够的信息表明在有丝分裂期间NE行为不同的已知系统发育密切相关的生物体。
结论
由于有丝分裂核仅在少数现存生物中有良好的特征，LECA是经历了开放式有丝分裂还是封闭式有丝裂尚不清楚。然而，在两个进化超群中，存在着进行开放有丝分裂和其他进行封闭有丝分裂的生物体，这证明自LECA以来，开放和闭合有丝分裂之间发生了多次转换。
由于细胞内结构在化石记录中很少被保存下来，通过构建一个系统发育树来重建细胞核的进化历史，在该树上绘制细胞核特征图，并最终将其与潜在的遗传变化联系起来，这将需要对生命树进行广泛和深入的调查：因为真核生物模型生物的数量相对较少彼此不同，只代表了当今地球上生命多样性的一小部分；更深层次的原因是，对树木精心挑选的枝条中关系密切的生物进行分析，将最有助于揭示细胞分化的可能步骤。
一个有意义的系统发育树将有可能检验与开放和封闭有丝分裂进化有关的假设，将基因组变化与密切相关生物中这两种有丝分裂形式之间的过渡点联系起来，并最终发现区分它们的分子机制。将这些进化模式与已知影响有丝分裂核的其他核蛋白和结构（如中心粒/中心体/纺锤极体）的进化模式进行比较也将是有益的[44,45]、核支架、内NE定位蛋白和NPC成分[1,2,46].
我们提出了涉及适应性过程的开放和封闭有丝分裂进化的两个假设。随着额外数据的获取，应该可以确定这些场景的有效性，探索替代假设的含义也很有趣。更广泛地说，NE行为的变化是否是由自然选择压力中的谱系特定变化驱动的，还有待确定。
