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科技報導

为什么细胞不能无限长大?



一个人有几十万亿个细胞。说到细胞,好像我们印象里的细胞就是那样小小的,各种生物的细胞基本也都保持在一个有限的大小范围之内,为什么细胞不会无限长大呢?根据一项斯坦福大学学者发表在《科学》杂志上的新研究,细胞控制自己大小的方法还真是简单得不可思议。科学家发现,细胞体积增长,细胞内抑制细胞分裂的蛋白却不会随着等比例增长,因而浓度下降,无法抑制细胞想要一分为二的雄心,所以细胞能长到的大小就有天花板了!

这机制还真是怪淳朴的!

一细想这个事儿还真的挺有意思。细胞里面有那么多细胞器,每天要发生那么多重要的生理反应,形象点说活像个微观工厂。在工厂里从一个流程到另一个流程都是有定律的,一下大一下小还真不是那么回事儿。细胞大小事关功能,特定类型细胞通常大小也是一致的,生物体到底是怎么这么精确地管理它们的呢?

为了说明白这是怎么一回事儿,咱们先来聊聊细胞周期。

对一个正常细胞来说,它这一辈子大概就两件大事儿:长大个儿、生崽崽。这两件事交替进行,一个交替就可以叫做一个细胞周期。

来看图,这个环就是细胞周期比较直观的体现。在有丝分裂(M)期,细胞完成一分为二的生孩大事,在其他时间(间期),细胞慢慢生长为分裂做准备。S期是细胞DNA复制的时间,G1/G2期细胞则慢慢长大。

为什么细胞不能无限长大? 1

至于G0,那是细胞“世界那么大我想去看看”的自我放松时间。

对哺乳动物细胞来说,从生长到生崽,这个转变的时间点主要出现在从G1到S期的过渡[2]。虽然科学家们已经发现了一些细胞周期调控因子的变化会影响到细胞大小,但是具体是怎么彻底改变细胞人生规划的还不清楚[3]。

既往的研究已经找到了部分答案。调节细胞大小和生命周期的其中一个机制就是改变特定信号分子的浓度。比如说在芽殖酵母中,存在一种细胞周期抑制蛋白Whi5,在G1期细胞长大会稀释掉细胞内Whi5的浓度,从而触发细胞周期[4]。

换到哺乳动物细胞中,也有和Whi5功能类似的蛋白,那就是视网膜母细胞瘤蛋白家族成员Rb、p107和p130了。它们可以通过结合并抑制E2F转录因子来推进细胞周期。

此前有研究发现,在小鼠细胞中缺少Rb会改变细胞大小,那么对于人类细胞来说,Rb是否就是那个Whi5呢?

首先得能看到细胞里的Rb。研究者们给Rb蛋白接上了绿色荧光蛋白,这样就能测出Rb的数量了。从实验结果来看,Rb蛋白的量在G1期基本不变,在随后的S/G2/M期增加,同时Rb存在的细胞核体积也在稳步增加。

细胞周期中Rb蛋白数量的变化

细胞周期中Rb蛋白数量的变化

与此不同的是,另外一种同样功能的细胞周期抑制蛋白p21,则是在G1期开始积累,然后在进入S期的时候迅速降解。

研究者测试了四种不同的人类细胞,都发现Rb的数量和细胞大小就也没啥关系。

至于Rb的另外两个亲戚,p107的水平基本稳定,p130则并不在细胞周期中表达。

由此来看Rb就是那个被稀释的细胞周期开关了。

研究者通过改变Rb等位基因的数量改变了细胞内Rb的表达,结果很有趣。研究者发现,Rb的浓度对细胞周期影响非常大,Rb浓度每差2.5倍,就会造成G1期10个小时的时常差——正常情况下整个细胞周期时常也就16-17个小时;而将Rb浓度减半,细胞周期启动的速度就会加速两倍。

另外,实验中还有一个很有意思的发现。

细胞一分为二的时候,其实并不总是均等分的,但是研究者却发现,无论这分开的两个细胞是一样大还是一大一小,它们分到的Rb蛋白其实都是差不多的。研究者认为,这可能是Rb与染色体之间存在绑定关系,Rb随着染色体分离公共平平地分给了两个子代细胞。

可见细胞分裂时Rb与染色体的行动基本是同步的

可见细胞分裂时Rb与染色体的行动基本是同步的

还挺像分家产的。