2021年6月20日訊/生物谷BIOON/---自從350多年前科學(xué)家們?cè)陲@微鏡下發(fā)現(xiàn)細(xì)胞以來，他們已經(jīng)注意到每種類型的細(xì)胞都有一個(gè)特有的尺寸。從微小的**到幾英寸長(zhǎng)的神經(jīng)元，尺寸對(duì)細(xì)胞的工作方式很重要。然而，這些生命的組成部分如何調(diào)節(jié)自身大小的問題仍然是一個(gè)謎。

如今，我們對(duì)這個(gè)長(zhǎng)期存在的生物學(xué)問題有了新的解釋。在一項(xiàng)專注于植物生長(zhǎng)錐（growing tip）的研究中，來自英國(guó)和西班牙的研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞使用它們的DNA含量作為一個(gè)內(nèi)部標(biāo)尺來評(píng)估和調(diào)整它們的大小。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2021年6月11日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale”。

論文通訊作者、英國(guó)約翰內(nèi)斯中心的小組負(fù)責(zé)人Robert Sablowski教授說，“很長(zhǎng)時(shí)間以來，人們一直認(rèn)為DNA可以作為細(xì)胞大小的標(biāo)尺，但不清楚細(xì)胞如何讀取這種標(biāo)尺并使用這種信息。關(guān)鍵是利用DNA作為模板來積累合適數(shù)量的蛋白質(zhì)，然后在細(xì)胞分裂前需要稀釋蛋白的數(shù)量。為一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題找到如此簡(jiǎn)單的解決方案是令人興奮的。”

細(xì)胞的平均大小是由細(xì)胞生長(zhǎng)多少和細(xì)胞分裂頻率之間的平衡決定的。長(zhǎng)期以來，人們都很清楚，細(xì)胞在分裂前會(huì)生長(zhǎng)到一定的大小。但是，一個(gè)細(xì)胞怎么能知道它已經(jīng)生長(zhǎng)了多少？

研究這個(gè)問題的一個(gè)好地方是莖尖分生組織，即植物的生長(zhǎng)錐，它提供新的細(xì)胞來制造葉子、花和莖。分生組織細(xì)胞不斷生長(zhǎng)和分裂。它們的分裂往往是不平等的，產(chǎn)生不同大小的細(xì)胞。隨著時(shí)間的推移，這些差異會(huì)逐漸積累，但分生組織細(xì)胞在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持在一個(gè)狹窄的大小范圍內(nèi)。

在這項(xiàng)新的研究中，這些作者仔細(xì)跟蹤了分生組織細(xì)胞在一段時(shí)間內(nèi)的生長(zhǎng)和分裂。他們發(fā)現(xiàn)，雖然細(xì)胞可以以不同的大小開始它們的生命，但當(dāng)它們準(zhǔn)備好復(fù)制它們的DNA時(shí)（細(xì)胞分裂之前的一個(gè)必要步驟，因?yàn)槊總€(gè)新細(xì)胞都需要自己的DNA拷貝），細(xì)胞大小的大部分初始變化都已得到校正。

他們隨后監(jiān)測(cè)了一種名為KRP4的蛋白質(zhì)，其作用是延遲DNA復(fù)制的開始，并發(fā)現(xiàn)無(wú)論初始大小如何，細(xì)胞出生時(shí)總是帶有相同數(shù)量的KRP4。這意味著，當(dāng)一個(gè)細(xì)胞出生時(shí)太小，它就會(huì)接收到較高濃度的KRP4，從而延遲其DNA復(fù)制的進(jìn)程，使它有時(shí)間趕上其他細(xì)胞的相同大小。相反，如果一個(gè)細(xì)胞出生時(shí)太大，KRP4就會(huì)被稀釋，這樣它就能迅速進(jìn)入下一個(gè)階段，而不會(huì)進(jìn)一步生長(zhǎng)。隨著時(shí)間的推移，這使分生組織細(xì)胞保持在一個(gè)狹窄的大小范圍內(nèi)。

但是，是什么確保了細(xì)胞一開始就有相同數(shù)量的KRP4呢？事實(shí)證明，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，KRP4 “搭乘”DNA，DNA以相同的拷貝傳遞給每個(gè)新生細(xì)胞。這樣一來，KRP4的初始數(shù)量就與細(xì)胞的DNA含量成正比。為了確保KRP4在母細(xì)胞中的積累與DNA含量成比例，任何未與DNA結(jié)合的多余KRP4在細(xì)胞分裂前被另一種稱為FBL17的蛋白質(zhì)破壞。數(shù)學(xué)模型和使用具有不同數(shù)量的這些遺傳成分的基因編輯突變體證實(shí)了這一機(jī)制。

Sablowski教授解釋了這一過程，“我們必須解決的一個(gè)謎題是，當(dāng)細(xì)胞的大多數(shù)成分在數(shù)量和大小上一起增加時(shí)，細(xì)胞如何能夠知道它生長(zhǎng)了多少，因此它們不能被用作測(cè)量細(xì)胞大小的固定標(biāo)尺。一個(gè)例外是DNA，它以離散的數(shù)量存在于細(xì)胞中---它的數(shù)量在細(xì)胞分裂前正好翻倍，但它不隨細(xì)胞的生長(zhǎng)而變化。”

未來的實(shí)驗(yàn)將試圖解釋調(diào)節(jié)蛋白KRP4是如何在細(xì)胞分裂過程中與染色體結(jié)合，然后解離的。這些作者還想了解該機(jī)制是否在不同的細(xì)胞類型中受到調(diào)節(jié)以產(chǎn)生不同的平均大小。

這些發(fā)現(xiàn)可能解釋了基因組大小和細(xì)胞大小之間的關(guān)系---擁有較大基因組的物種，在其細(xì)胞中擁有大量的DNA，往往擁有更大的細(xì)胞。這對(duì)農(nóng)作物尤其重要，許多農(nóng)作物經(jīng)篩選后含有其野生祖先中的多個(gè)基因組拷貝，從而導(dǎo)致細(xì)胞變大，并且通常有較大的果實(shí)和種子。

包括KRP4在內(nèi)的遺傳機(jī)制的成分存在于許多有機(jī)體中，已經(jīng)有人提出，這些成分在調(diào)節(jié)人類細(xì)胞的細(xì)胞大小方面很重要。因此，這項(xiàng)研究中揭示的機(jī)制可能也與整個(gè)生物學(xué)王國(guó)相關(guān)，對(duì)動(dòng)物和人類細(xì)胞生物學(xué)具有意義。（生物谷 Bioon.com）