通过DNA含量测量细胞大小

2021.6.17

　　细胞如何测量自身?现在我们有了这个长期存在的生物学问题的答案了。

　　图片显示的是一个茎尖分生组织(在中间)，在它的两侧出现了花蕾。绿色标记的细胞即将进入DNA复制。

　　自从350多年前科学家在显微镜下发现细胞以来，他们就注意到每一种细胞都有其特有的大小。从微小的细菌到几英寸长的神经元，大小决定着细胞的工作方式。然而，这些生命的组成部分如何调节自身大小的，这个问题仍然是一个谜。

　　最近我们对这个长期存在的生物学问题有了一个解释。在一项针对植物生长顶端的研究中，研究人员发现，细胞使用它们的DNA含量作为内部测量器来评估和调整它们的大小。

　　这一发现公布在Science杂志上。

　　文章作者，英国约翰英纳斯中心Robert Sablowski教授说，“之前就有人提出DNA可以用作细胞大小规模测量标准，但还不清楚细胞如何知晓规模和使用这些信息。其中关键在于用DNA作为模板来积累适量的蛋白质，然后在细胞分裂前将其稀释。能找到如此简单的方法来解决这个长期存在的问题真是令人兴奋。”

　　平均细胞大小是由细胞生长和分裂的频率之间的平衡决定的。人们早就知道，细胞在分裂前会长到一定大小。但是细胞如何知道它生长了多少呢?

　　研究这个问题的一个好样品是茎分生组织，即植物生长的顶端，它提供新的细胞来制造叶子、花和茎。分生组织细胞不断生长和分裂。它们的分裂往往不相等，产生不同大小的细胞。随着时间的推移，这些差异会逐渐增加，但分生组织细胞在很长一段时间内保持在一个狭窄的大小范围内。

　　在这项新研究中，约翰英尼斯中心的研究人员仔细跟踪了分生组织细胞的生长和分裂。他们发现，尽管细胞的大小是可以变化的，但是当细胞准备复制DNA时(细胞分裂前的必要步骤，每个新细胞需要复制自己的DNA)，大部分的初始大小已确定了。

　　然后，他们监测了一种名为KRP4的蛋白质，它的作用是延迟DNA复制的开始，他们发现，无论最初的大小，细胞出生时总是有相同数量的KRP4。这意味着当一个细胞出生时太小，它就会接收到更高浓度的KRP4，这就延缓了它向DNA复制的进程，让细胞有时间赶上其他细胞的大小。相反，如果一个细胞出生时太大，KRP4就会被稀释，这样它就可以快速进入下一个阶段，而不会进一步生长。随着时间的推移，这使分生组织细胞保持在一个狭窄的大小范围内。

　　但是，是什么保证细胞一开始就有相同数量的KRP4呢？事实证明，当细胞分裂时，KRP4会“搭乘”DNA的“顺风车”，DNA以相同的副本传递给每个新生细胞。这样，KRP4的初始量就与细胞的DNA含量成正比。为了确保KRP4在母细胞中按照DNA含量的比例积累，任何未与DNA结合的多余KRP4都会在细胞分裂前被另一种名为FBL17的蛋白质破坏。数学模型和使用基因编辑突变体与这些遗传成分的不同数量证实了这一机制。

　　Robert Sablowski教授解释了这一过程，“我们必须解决的一个谜题是，当细胞的大部分成分在数量和大小上一起增加时，细胞如何知道它增长了多少，所以它们不能被用作测量大小的固定尺。一个例外是DNA，它以离散的数量存在于细胞中——它的数量在细胞分裂前精确地翻倍，但它不随细胞生长而变化。”

　　下一步科学家们将通过实验将试图解释调控蛋白KRP4是如何在细胞分裂过程中与染色体结合并分离的。研究人员还想了解这种机制是否受不同细胞类型的调节，从而产生不同的平均大小。

　　这些发现可能解释了基因组大小和细胞大小之间的关系——基因组大的物种，因此细胞中有很多DNA，它们的细胞往往更大。这在作物中尤为重要，许多作物被选择含有野生祖先基因组的多个副本，从而产生更大的细胞，果实和种子通常也更大。

　　包括KRP4在内的遗传机制的组成部分存在于许多生物体中，已经有人提出，这些组成部分在调节人类细胞的细胞大小方面很重要。因此，研究中揭示的机制可能也与整个生物学王国相关，对动物和人类细胞生物学具有意义。

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