细胞如何“丈量”自身的大小？

撰文 | Erika K. Carlson 

翻译| 王麟涛

审校| 戴晨

 

在生物体内，单个细胞必须通过成长与分裂，才能产生新细胞。但是，细胞是如何感知到它们的体积已经大到可以一分为二呢？一项由斯坦福大学Jan Skotheim领导的研究表明，细胞似乎能感应体内一些特定的蛋白质被充分稀释。

 

仅数年前，科学家才首次提出来细胞可能通过感知蛋白质的稀释，控制细胞大小的观点。随后，他们继续探索了这个生理过程中新的难题。最近，Skotheim和同事Evgeny Zatulovskiy在《遗传学进展》（Trends in Genetics）上发表了一份综述，描述了目前已经研究清楚的、有关动物细胞控制自身大小的问题。通过近期的实验，Skotheim的研究团队已经解决了细胞如何控制大小的一部分新难题。

 

Skotheim说：“理解细胞是如何控制自身大小，是细胞生物学的基础。”细胞大小决定了其中细胞器的大小，这也影响了细胞如何产生蛋白质，以及其他具有关键功能的分子。但是，科学家并不了解细胞如何生长并分裂将产生的“正常大小”的同类细胞。例如，人类典型的红细胞是直径为几微米的碟形细胞，但是骨骼肌细胞是细长结构，长度可以达到几厘米。

 

正在生长与分裂的酵母菌细胞。控制细胞分裂的机制与一种特定蛋白的浓度密切相关（明亮区域）。

在作为博士后研究员时，Skotheim看到细胞生长与分裂的延时视频，并第一次被有关细胞大小的难题所吸引。从那以后，研究物理与应用数学的Skotheim将研究方向转到了生物学领域。由于之前接受的研究训练，他特别热衷于研究细胞如何感知自身的物理特性，并采取相应的行动。令他困惑的是：“细胞甚至说微生物是通过什么机制来测量其大小？如何将细胞大小转化为生化信号，以及触发细胞分裂？”

 

2008年在Skotheim拥有自己的实验室后不久，他开始寻找控制细胞大小的分子机制。那时，研究人员普遍推测：随着细胞生长，它们能产生特定蛋白质的数量会增多。但是，和Skotheim一起工作的博士后Kurt Schmoller，认为细胞大小可能与其体中一种蛋白质的稀释相关。如果一个细胞产生的某种蛋白质具有固定的数量，随着细胞变大，蛋白质将会被稀释，细胞也能因此知道需要分裂的时间。

 

Schmoller、Skotheim和其他人通过延时技术测量了，在生长与分裂时期细胞质中多种蛋白质的浓度。很快在2015年，他们发现一种Whi5蛋白，能防止酵母菌细胞分裂。随着细胞生长，酵母菌会持续不断的产生其他蛋白质，但只生产一定量的Whi5蛋白，这也意味着这种蛋白会被稀释。当Whi5蛋白稀释到一个特定值时，细胞也会随之分裂。后来，Skotheim合作的另一位博士后Zatulovskiy在人类细胞中，也发现相似的机制。具有肿瘤抑制作用的Rb蛋白也会随细胞生长而稀释，具有类似Whi5蛋白控制细胞分裂的作用。

 

现在，研究人员已经将细胞大小与蛋白质的稀释程度相关联，他们希望对控制这些蛋白合成的分子机制具有更详细的了解。例如，Skotheim的研究团队发现，Whi5蛋白的形成过程独立于细胞的大小，酵母菌细胞中总是产生相同数量的该蛋白。

 

Skotheim表示，拥有物理背景的研究人员能给生物学研究，带来不同的研究角度与互补性的思考方式。当遗传学家和微生物学家努力识别细胞的新组分，并理解细胞的整体复杂性时，物理学家更感兴趣于寻找简单的概念，类似于特定蛋白的稀释，能构成细胞行为的基础。Skotheim说：“物理学家想将研究结果，归结为一个能尽可能解释更多现象的概念。”

 

原文链接：https://physics./articles/v13/35