细胞如何感知自己的大小?

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生物的生长离不开细胞的生长和分裂。细胞总是能通过分裂而不断产生大小合适的细胞。何为“大小合适”?以典型的人类红细胞为例,它们总是直径只有几微米的扁平小圆盘;以骨骼肌细胞为例,它们是拥有细长形态的结构,可以被拉伸到几厘米长。

既然细胞分裂产生新细胞对于生物的生长来说是必不可少的,那么一个自然的问题便是,细胞要如何感知自身的大小,如何得知自己已经长大到可以分裂了的呢

了解细胞如何控制它们的大小是细胞生物学的基础,因为它决定了细胞内的几何结构和细胞器的大小;而细胞器的大小又会反过来会影响细胞产生蛋白质和其他分子的方式,从而影响生物合成过程。

动物细胞中,细胞大小可以通过两种不同的机制来控制的。首先,细胞周期会保证较小的细胞可以延缓细胞的生长进程,以便在细胞分裂之前积累更多的生物量;另外,与大小有关的细胞生长会确保较大和较小的细胞在单位质量上的生长速度慢于大小最优的细胞。

近十年来,随着单细胞技术的进步,科学家渐渐在动物细胞中发现了越来越多与细胞大小控制有关的现象。最近,斯坦福大学的生物学家Jan SkotheimEvgeny Zatulovskiy在回顾了近年来的一些进展之后,在《遗传学趋势》上发表了一篇综述性论文,对迄今为止所了解到的控制了动物细胞大小的机制进行了描述。

另外,根据近年来的一些实验,Skotheim的团队还在一篇即将发表在预印网站bioRxiv上的论文中,介绍了一种近年来才被提出的与细胞大小之谜有关的可能性。这是一种认为细胞可以通过感知体内的某些蛋白质是否被稀释,而“得知”自己是否已经生长到可以分裂的地步的观点。

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Skotheim本是一位物理学家和应用数学数学家,他对细胞大小之谜的兴趣起源于他的博士后研究时期。当时,他看到了一些关于细胞生长和分裂的延时录像。物理学家的思维惯性让他对于细胞是如何感知自身的物理属性,并根据这些属性信息采取行动的产生了好奇。他不禁想:像细胞或微生物这一类东西,是如何拥有能够测量自身大小的机制的?细胞大小这一信息又是如何转化成可以触发细胞分裂的生化信号的

2008年,在Skotheim建立了自己的实验室之后,便开始搜寻可能控制了细胞大小的分子机制。在当时,研究人员普遍认为细胞在生长过程中会持续产生蛋白质。而在Skotheim的研究团队中,有一位名为Kurt Schmoller的博士后却提出,细胞的大小是否与细胞中的蛋白质稀释有关?

Schmoller想知道,如果某些蛋白质在细胞中的量是特定的,那么随着细胞的增长,蛋白质的含量就会被稀释,当细胞“感应”到了这种信号,就“知道”是时候分裂了

Skotheim团队用延时显微镜对正在生长和分裂的酵母细胞进行观测,他们对细胞质中的各种蛋白质浓度进行了测量。2015年,他们果然发现了一种会随着细胞体积的增大而被稀释的蛋白质,这种蛋白质名为Whi5,是一种可以防止酵母细胞分裂的蛋白质。他们发现,在酵母细胞的生长过程中,有许多蛋白质是可以不断产生的,然而Whi5的量却是固定的。因此当Whi5蛋白被稀释到一定程度时,细胞便会开始分裂。

细胞如何感知自己的大小?

○ 酵母细胞的生长和分裂:控制细胞分裂的机制与某种蛋白质(明亮区域)的浓度有关。| 图片来源:K. Schmoller / 斯坦福大学

再后来,Skotheim团队中的Zatulovskiy在人类细胞中也发现了类似的机制。他发现肿瘤抑制蛋白Rb会随着细胞的生长而被稀释,并且Rb以和Whi5一样的方式,控制细胞何时分裂

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就这样,Skotheim等人将细胞大小与蛋白质稀释结合到了一起。作为一个学习物理出身、现从事生物学研究的科学家,Skotheim认为物理学的研究背景为他带来了一个很大的优势,那就是他会以不同的视角来看待生物学问题,并提出可以与生物学家的方法更相辅相成的方案来解决问题。

当遗传学家和微生物学家把注意力集中在识别细胞的新部分和理解细胞的整体复杂性上时,物理学家可能更感兴趣于发现是否有什么更为基础的简单概念——比如稀释——影响了细胞行为。

现在,Skotheim等人希望能更深入地研究控制这些蛋白质形成的分子机制,以了解为什么有些蛋白质在细胞中的量是固定的,而不是可以不断产生的。

参考链接:

https://doi.org/10.1016/j.tig.2020.01.011

https://physics.aps.org/articles/v13/35

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