微核的百年研究史
微核的发现可追溯至19世纪90年代，Howell在猫的红细胞中观察到了染色质片段。随后的研究者，如Jolly和von Hansemann，也相继报告了类似结构。20世纪初，Boveri在海胆卵细胞分裂中观察到某些染色体未能进入子细胞核，而是滞留在胞质中，这为理解微核的形成奠定了基础。20世纪中叶，Evans等人证实电离辐射可诱导微核形成，建立了微核与辐射损伤的联系。70年代，Matter和Schmid将微核研究扩展至啮齿动物骨髓细胞，利用微核频率评估化学品的遗传毒性，奠定了微核检测的基础。随着细胞松弛素B的应用，Fenech和Morley开发了可靠的体外微核检测法，该技术如今已被广泛应用于环境评估、药物毒理学和血液疾病诊断等领域，并被世界卫生组织列为化学品强制毒性测试之一。近年来，显微镜和测序技术的进步极大加深了我们对微核功能的理解，特别是其与染色体碎裂（一种灾难性的基因组重排事件）的关联，以及其通过激活cGAS-STING通路触发先天免疫反应的作用。过去十年，微核领域的突破性研究频率显著增加。
微核的形成机制
微核形成的确切机制尚未完全阐明，但主要与两个机制相关：有丝分裂缺陷导致染色体滞后，以及DNA双链断裂。
有丝分裂缺陷诱导微核形成
有丝分裂缺陷是微核形成的关键起始因素，它导致滞后染色体，为微核提供了物质基础。这通常涉及细胞动力学缺陷，如着丝粒-动粒复合体组装异常。正常的着丝粒-动粒组装始于着丝粒蛋白A的准确沉积，随后着丝粒特异性蛋白逐步积累形成内层动粒，外层动粒开始组装并招募Ndc80复合体等蛋白，以确保染色体正确排列和运动。纺锤体组装检查点通过动粒监控微管附着状态。该过程的任何微小错误都可能导致染色体分离缺陷，形成滞后染色体。这些染色体在胞质中被核膜包裹，形成微核。例如，CENP-A浓度不当会破坏姐妹染色单体的附着，导致染色体错误分离。研究表明，在CENP-A缺陷型人工染色体形成过程中，会出现大量纳米核（微核的一种特殊形式）。总体而言，滞后染色体的产生是有丝分裂动力学异常的结果，不仅涉及着丝粒-动粒组装缺陷，也涉及影响有丝分裂进程的表观遗传改变。
DNA双链断裂导致微核形成
与有丝分裂缺陷通常导致整条染色体被包裹进微核不同，由DSBs形成的微核通常包含染色体片段。当DSBs发生在间期时，DNA损伤反应被激活，通过ATM和ATR启动细胞周期检查点。然而，当DSBs发生在有丝分裂期，细胞会优先完成分裂而非修复损伤，这导致了微核的形成。染色体断裂成两个片段：一个无着丝粒片段和一个有着丝粒片段。无着丝粒片段缺乏着丝粒，通常进入胞质并随机分配到一个子细胞，最终形成微核。理论上，有着丝粒片段仍可参与有丝分裂，但由于其暴露的DNA末端，它可能在下一个细胞周期中与另一条染色体融合，形成双着丝粒染色体。双着丝粒染色体的形成是断裂-融合-桥循环的关键特征。在后续的有丝分裂中，双着丝粒染色体被拉长，形成连接两个子细胞的染色质桥。此桥被机械应力或TREX1等因子切断，残留的桥染色质片段被随机分配，其中一些在下次有丝分裂中被核膜包裹形成微核。端粒损伤也通过引发DSB和重复BFB循环促进微核形成。
核出芽诱导微核形成
核出芽是细胞核排出多余DNA片段（如BFB循环或非整倍体产生的片段）形成的核突出物。形态上，核芽与微核相似，但其通过染色质与主核相连。核芽常出现在促进基因扩增的条件下。体外研究表明，扩增的DNA位于细胞核周围特定区域，并在细胞周期间期通过核出芽被清除。证据表明，微核可起源于电离辐射后的核出芽。辐照后的细胞核内充满Rad51蛋白复合物并与损伤DNA结合，以核芽形式被排出细胞核，随后形成微核。与来自滞后染色体的微核不同，在间期通过核出芽形成的微核，其核膜缺乏核纤层蛋白B，这一特征在染色质桥断裂产生的微核中也有发现。此外，一些细胞外非遗传毒性因素也可能诱导核芽形成。
微核诱导基因的存在
最近的研究为调控微核形成的遗传因素提供了突破性见解。在一项大规模小鼠突变模型分析中，鉴定出145个与微核形成相关的基因。其中，缺失DNA复制和姐妹染色单体粘连所需的关键基因DSCC1，导致微核数量最显著地增加。体内存在微核相关基因与一系列人类疾病有关，但这些疾病在多大程度上与微核形成相关仍 largely unknown。这些发现揭示了微核的临床潜力。
微核的命运
微核形成后经历几种命运：重新并入、持续存在、破裂、降解和外排。
重新并入主核
微核重新并入的直接观察最早报道于20世纪90年代。研究不仅证明了重新并入的存在，还发现它是蚕豆和人淋巴细胞非整倍体的来源。重新并入的微核主要包含来自滞后染色体和有着丝粒片段的染色体片段。虽然重新并入的微核染色体看似完整，但仍常表现出功能缺陷，如转录水平降低。在某些情况下，来自含微核细胞的子细胞也表现出低转录水平，表明微核染色体的功能缺陷可能通过主核遗传。幸运的是，这种现象并不普遍。在大多数情况下，微核染色体在重新并入后恢复其转录功能。含有无着丝粒片段或动粒缺陷片段的微核表现出不同的命运。如果这些染色质片段在前期凝缩成染色体，它们往往不会被重新并入主核，而是在核膜破裂后作为胞质染色体片段存在。即使发生重新并入，这些片段也可能在后续分裂中错误分离到子细胞。
在胞质中持续存在
尽管微核可有不同命运，但大部分研究集中于膜破裂。然而，很大一部分微核在胞质中持续存在或在分裂后被子细胞继承。超过一半的微核在癌细胞中存在超过一个细胞周期。在鼠胚胎中，绝大多数含有微核的细胞将其传递给一个子细胞，这种现象称为单侧遗传。微核持续存在的一个可能解释是其所含染色体的着丝粒受损。例如，一些微核染色体由于无法招募Aurora-B和Mad1蛋白而缺乏纺锤体组装检查点，使得正常有丝分裂无法进行。此外，微核的核孔复合体缺陷阻止其招募所需的甲基化酶，而这对正确的动粒组装至关重要。除了着丝粒受损的染色体，一些被隔离到微核中的染色体片段完全缺乏着丝粒。核纤层蛋白阴性微核在胞质中的持续存在是一个独特现象。理论上，核纤层蛋白阴性微核的包膜经常被有丝分裂期间来自主核的复制应激信号或胞质肌动蛋白破坏。由于与主核DNA复制不同步，缺乏核纤层蛋白保护的微核可能无法复制，导致DNA损伤。然而，微核不会迅速破裂，受损DNA的释放可能是渐进的。因此，缺乏核纤层蛋白但尚未破裂的微核可以在胞质中持续多个细胞周期。
破裂
微核破裂已在多种细胞类型中观察到，表明膜脆性和不稳定性是微核的内在特性。破裂并不意味着微核的瞬时破坏，仅表示膜完整性的丧失。
微核膜的组成
微核膜在组成上与主核膜相似，但其组分的相对比例存在显著差异，这极大地导致了微核膜的脆性。值得注意的是，微核膜中的核纤层蛋白水平明显低于主核，这直接导致微核膜抗压强度低。核膜破裂通常遵循一个顺序过程，始于膜上出现薄弱点。当微核受到外部损伤因素作用时，薄弱点首先破裂。
微核膜破裂机制
核纤层蛋白B的缺失是导致微核破裂的重要因素。在后期，核心核膜蛋白聚集在染色体周围，而核孔复合体组分和非核心蛋白则停留在远离纺锤体的染色体外围区域。由于缺乏核孔复合体，微核表现出核质运输缺陷，损害了核膜完整性所需蛋白的输入。当外部机械应力靶向缺乏核纤层蛋白B的微核包膜薄弱区域时，核膜破裂迅速发生。即使没有肌动蛋白，缺乏核纤层的核膜破裂也不可逆转。虽然肌动蛋白在微核膜破裂中的作用存在争议，但已证实肌动蛋白产生的机械力可促进染色质疝的形成。微核的大小似乎也与其破裂易感性相关。较小、曲率高的微核比较大的、平坦的微核表现出更高的cGAS水平和更低的核纤层蛋白B1水平。高膜曲率似乎在招募核纤层蛋白B1和其他一些核蛋白方面存在显著缺陷。除了核纤层蛋白作为组装因子和机械应力作为破坏因子外，染色体长度和基因密度也被确定为影响微核膜破裂的因素。微核的大小与染色体长度和数目直接相关。即使缺乏核纤层蛋白B1和核孔复合体，只要具有高基因密度，微核膜的缺口仍可维持在低水平。最近的研究揭示了线粒体ROS通过CHMP7介导微核膜破裂的内源性机制。一方面，线粒体ROS抑制XPO1依赖的CHMP7核输出，导致CHMP7在微核中大量积累，从而触发微核膜塌陷和破裂。另一方面，ROS诱导的半胱氨酸氧化促进了CHMP7簇集，减少了其与ESCRT-III复合体其他成员的相互作用。
破裂后的膜修复
细胞在间期拥有强大的核膜修复机制。该修复机制涉及从内质网招募修复蛋白，在极短的时间内填补核膜缺口。与有丝分裂期间的核膜组装类似，胞质中的BAF蛋白迅速聚集在膜破裂部位，招募LEM的NTD蛋白、核纤层蛋白A和ESCRT-III至破裂位点。此外，BAF与因膜破裂而暴露的染色质结合，保护染色质免受cGAS的检测和破坏。然而，这种核膜修复机制通常不在微核中发生。尽管在膜破裂后的微核中检测到BAF和ESCRT-III，但微核的小尺寸限制了CHMP7的聚集。不断积累的CHMP7不仅无法与其他ESCRT-III组分相互作用以发挥膜修复作用，还会持续发出需要微核膜修复的信号，导致ESCRT-III无限积累。这种持续的招募导致广泛变形和进一步的微核膜破裂。因此，ESCRT-III在微核中的作用是双面的；虽然对修复至关重要，但如果不能准确定位于膜上，也会加剧微核破裂。例如，ROS在微核内招募自噬受体P62，导致通过自噬降低CHMP7水平。因此，ESCRT-III不能被导向损伤部位，阻碍损伤修复并促进微核破裂。因此，ESCRT-III的临界膜浓度对于微核的基因组稳定至关重要。此外，TREX1在微核中的定位似乎依赖于BAF的招募作用或ESCRT-III的重塑作用。然而，TREX1主动降解微核DNA，这在一定程度上限制了cGAS的激活。这与BAF的功能类似，同时提出了一个新问题：BAF是直接抑制cGAS，还是其招募TREX1降解DNA的结果？
微核膜破裂的后果
最广为人知的后果之一是cGAS-STING通路的激活。cGAS-STING通路的过度激活是自身免疫性疾病的原因之一。然而，并非所有完整的微核都是cGAS阴性，也并非所有破裂的微核都必然激活cGAS。值得注意的是，关于微核激活cGAS-STING通路存在争议。有研究首先提出，是有丝分裂错误后形成的染色质桥而非微核激活cGAS，因为染色质桥暴露更多的dsDNA，是更强的cGAS激活物，尽管这不是绝对的。除了DNA暴露水平，其他因素也影响cGAS的招募，例如在微核膜封装前染色质的组蛋白修饰。此外，具有高转录活性的微核似乎也对cGAS定位有强烈的排斥作用。另一项严谨的实验证明，γ辐照后cGAS-STING通路的激活与微核无关，因为无论细胞中是否存在微核，STING都保持激活状态，这似乎是线粒体DNA释放的结果。最近的一项研究进一步为微核破裂但不激活cGAS提供了合理解释：组蛋白H2A和H2B上的酸性斑块抑制cGAS激活，从而阻止含有核小体的微核触发cGAS通路。这表明不完全的核小体组装可能允许其他形式的自身DNA释放作为替代的cGAS-STING通路激活剂。随着研究的不断扩展，对微核与cGAS-STING通路复杂关系的理解也在不断演进。
胞质染色体片段与cGAS激活
两项最新研究揭示了CCFs激活cGAS的潜在机制。首先，MRE11-RAD50-NBN复合体与核小体结合，将cGAS从酸性斑块介导的隔离中释放出来，从而使其能够结合dsDNA。其次，DNA-PKcs增强核小体对cGAS的隔离，从而抑制cGAS-STING通路的激活。这就产生了一个新问题：这样的微核是否仍能被归类为“核”，本质上激活cGAS的将不是微核而是CCFs。cGAS-STING的触发会引发不同的反应。具体来说，当由主核膜破裂触发时，该通路促进衰老相关分泌表型的分泌。当由外源入侵DNA触发时，它会诱导免疫和炎症介质的表达。在微核膜破裂的背景下，cGAS的激活主要发生在肿瘤细胞中。癌细胞中持续的微核膜破裂会抑制IFN并激活非典型NF-κB，将cGAS-STING的功能从肿瘤免疫转变为促进癌症细胞的STING依赖性侵袭和转移。
降解
自噬是一种细胞内“自我消化”过程，可降解受损的细胞器和蛋白质。在微核频率增加的细胞中，自噬标志物LC3升高，并且一部分微核与LC3共定位，表明存在微核膜降解和DNA损伤标志物。根据自噬靶标的大小，自噬分为巨自噬和微自噬。虽然巨自噬有助于细胞器质量控制，但其在靶向核降解中的作用尚未完全阐明。在酵母中，巨自噬和微自噬的主要区别在于核囊泡连接处，这是液泡膜和核膜之间的独特结构，为微自噬所独有。目前证据表明，位于NVJ外的小微核通过巨自噬降解，而NVJ内的微核样结构则经历微自噬。除了激活炎症反应，cGAS还被独立证明可介导微核自噬。在结构上，cGAS含有五个LC3相互作用区，可直接与LC3结合。cGAS作为受体介导微核自噬，通过依赖ATG14和ATG7的经典自噬途径促进其清除。该机制独立于STING，从而绕过IFN-I反应。然而，微核的自噬清除尚未与任何显著后果相关联，因为它主要作为一种降解途径，没有已确立的下游后果。需要进一步研究以确定自噬介导的微核清除的更广泛意义。
外排
微核外排是指微核从细胞内部排出到细胞外的过程，在不同细胞类型中具有不同的生物学意义。它最早在红细胞中被提出，微核在成熟过程中被排出，类似于主核，大多数被排出的微核含有完整的染色体。然而，微核是否通过外排被主动清除仍不确定，因为活细胞成像中尚未清晰观察到其外排。在灵长类胚胎细胞中，微核外排作为一种自我保护机制。在胚胎细胞裂解和增殖过程中，染色体错误分离常产生CCFs，这些CCFs很少被重新引入主核。相反，胚胎细胞将CCFs封装进微核并将其排出细胞。在肿瘤细胞中，双微体（一种通常在癌细胞中发现的环状ecDNA）被选择性纳入微核并随后被排出。该过程减轻了DMs内部分癌基因扩增的影响，从而恢复肿瘤细胞表型。目前的研究已尝试通过微核外排靶向A549细胞中的ErbB1基因，以改善非小细胞肺癌的治疗效果。有趣的是，癌细胞排出的富含DMs的微核保留正常包膜，其内部DNA未经历广泛降解。尽管这与胚胎细胞中的微核外排形成对比，但它表明完整和不完整的微核都可以被排出，或者微核外排是一个随机且不受调控的过程。
染色体碎裂
染色体碎裂是一种独特的基因组不稳定性形式，其特征是少数染色体上发生数十至数百个DNA双链断裂，随后在修复过程中随机重装。虽然染色体碎裂严格来说并非微核的一种命运，但它是微核形成最极端的后果之一。
长期以来，人们认为肿瘤细胞内的遗传改变是多年甚至数十年逐渐积累的。然而，细胞中核苷酸突变和染色体重排的自然速率不足以产生形成肿瘤细胞所需的高数量突变。因此，需要一种能够在短时间内诱导大规模基因组重排的机制来解释肿瘤细胞基因的高突变率。十多年前，在一名慢性淋巴细胞白血病患者中发现了一种新的染色体重排模式，后来被称为“染色体碎裂”。自发现以来，染色体碎裂被认为是一种复杂的染色体重排形式，现在更准确地归类于更广泛的“染色体剧变”范畴。染色体剧变描述了单个细胞周期内染色体破碎的状态，包含三个主要过程：染色体碎裂、染色体缠绕和染色体再合成，其中染色体碎裂代表最极端的情况。
虽然染色体碎裂的确切起源尚不清楚，但微核假说被认为是最可靠的机制之一。作为CIN的标志物，微核不再仅仅是DNA损伤的指标；相反，它已成为DNA损伤形成的驱动力。此外，其他提出的机制，包括端粒危机和断裂-融合-桥循环，也被用来解释大规模、成簇的基因组重排。值得注意的是，这些机制都围绕微核展开，因为端粒危机和断裂-融合-桥循环都涉及导致染色体断裂的过程。
微核直接诱导染色体碎裂
总之，微核中的DNA损伤与染色体碎裂密切相关。一方面，大多数微核DNA损伤发生在间期——微核膜破裂并将DNA释放到细胞质中，在那里它经历染色体断裂和随机重组，最终导致染色体碎裂。另一方面，有丝分裂期间微核染色体的异常复制也可以通过多种机制导致损伤。由于微核只含有一条或少数几条染色体，它们与主核的物理分离解释了为什么由染色体碎裂诱导的大规模重排局限于少数染色体。除了由微核膜破裂引起的结构损伤外，微核内的遗传物质常常偏离正常的DNA结构。微核中大量的遗传物质以DNA-RNA杂交体形式存在，而非双链DNA。ADAR可以与微核内的DNA-RNA杂交体结合并编辑它们，产生脱氧肌苷，随后被DNA碱基切除修复糖基化酶和N-甲基嘌呤糖基化酶转化为切除位点。该位点可被BER核酸内切酶和AP核酸内切酶切割，产生单链DNA缺口。在DNA复制过程中，这些缺口可形成DSBs，而通过DSB的DNA断裂是染色体碎裂的关键步骤。然而，微核中DNA-RNA杂交体形成的机制尚不清楚，可能与这些结构内的异常转录有关。我们假设，即使给予微核足够的DNA损伤修复时间，染色体碎裂的发生仍然不可避免。因此，微核本身不具备正常的DNA修复机制，主要依赖于易出错的NHEJ通路而非高修复精度的HR通路。这导致了在染色体碎裂中观察到的复杂染色体重排。
