破解细胞的大小之谜
破解细胞的大小之谜Original 糖兽
原理 Today
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细胞是构成生命的基础组成部分。350多年前，科学家在显微镜下发现了细胞的存在后，科学家就意识到，每种不同细胞都有着其特有的大小。大多数真核细胞的大小在1~100微米之间，而神经元的大小则可以长达几厘米。大小的不同决定了不同细胞的运作方式。然而，一个至今仍然成谜的问题是：细胞是如何调节自身大小，使其细胞维持特定的大小的。
识别细胞如何评估自身大小一直是很复杂的问题，它不可以根据细胞中的蛋白质来“知晓”自身的大小，因为大多数细胞蛋白质的大小与细胞本身的大小成比例。这就好比你无法用自己的手臂来丈量自己的身高，因为你的手臂长度是与身体是成比例生长的。你需要用一个外部的参照工具才可以正确地丈量自己的身高。
然而，有一样东西在细胞生长过程中是不变的，那就是细胞中的DNA。长期以来，科学家一直猜测细胞可以使用其DNA作为衡量其大小的某种指标。但他们不知道的是，如果事实真的如此，那么细胞是如何读取这些指标，又是如何使用读取到的信息的？
现在，植物细胞生物学家Robert Sablowski与他的团队成为了首个证明了这一过程的人。他们通过一项聚焦在植物的生长锥的研究，证明了细胞会使用DNA来作为评估和调整其大小的指标的过程。
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在生物的生长过程中，它们的细胞会经历生长、DNA复制和分裂的细胞周期。一种细胞的平均大小是通过它的生长和分裂频率之间的平衡来决定的。每种类型的细胞在分裂成两个子细胞之前，都会长到一定大小。那么细胞是如何知道它长到了可以分裂的地步的呢？
在新研究中，研究人员对植物的茎分生组织，即植物的生长锥，进行了仔细的研究。植物的生长锥是研究这个问题的一个绝佳部位，它能为叶子、花和茎的产生提供新的细胞。这些分生组织细胞会不断地生长和分裂，这种分裂能产生大小不同的细胞。随着时间的推移，这些差异会逐渐明显，但分生组织细胞本身的大小则在很长一段时间内，仍然维持在一个大致相同的大小范围内。
通过追踪分生组织细胞的生长和分裂，研究人员发现虽然细胞可能以不同的大小开始它们的生命，但当它们长到可以复制自己的DNA，然后分裂成两个子细胞时，它们都会达到一致的大小。也就是说，细胞在一开始的时候的大小不同，在很大程度上都会得到修正。
接着，他们监测到了一种名为KRP4的蛋白质，这是一种能控制细胞进入DNA复制阶段之前的生长时间长短的蛋白质，其作用是延迟DNA复制的开始。Sablowski在八年前就在另一项研究中注意到过这种蛋白质，却没想到这种蛋白质是理解细胞大小调节的关键。
这一次，研究人员发现细胞大小调节的秘密在于每个新细胞中KRP4的浓度。无论细胞的初始大小为多少，细胞在一开始时所拥有的KRP4量都是相同的。这意味着，当一个细胞的初始大小非常小时，它的KRP4浓度就会更高，这就延缓了它开始DNA复制的进程，让细胞有时间赶上其他细胞的大小。相反，如果一个细胞的初始大小太大，KRP4就会被稀释，这样细胞就可以快速地进入下一阶段，而不会进一步生长。随着时间的推移，分生组织细胞就会维持在一个相对一致的大小范围内。
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图中所显示的是茎分生组织，绿色标记的细胞即将进入DNA复制阶段，而洋红色标记表示KRP4的积累。｜图片来源：John Innes Centre
但是，是什么保证了细胞在一开始就含有相同数量的KRP4呢？研究人员发现，在细胞的生长阶段，KRP4会自由地漂浮在细胞核中，阻止了它的过早复制；而在分裂之前，KRP4不再是自由漂浮的，而是附着在细胞自身的DNA上——这确保了将要分裂形成的两个子细胞都能得到等量的KRP4。
如此一来，KRP4的初始含量就会与细胞的DNA含量成正比。DNA就像一个量杯，用来从细胞中提取一定量的KRP4。为了确保KRP4在母细胞中会按照DNA含量的比例积累，在细胞分裂之前，任何没有与DNA结合的多余KRP4都会被一种被称为FBL17的蛋白质清除。然后，新的子细胞周期将再次开始。
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细胞是如何知道自己的大小是一个长期困扰生物学家的谜团，现在，新的研究用一个简洁的答案解决了这个长期存在的问题，他们还通过一个数学模型来证实了这一机制。许多科学家表示，这个答案直截了当得令人惊叹。
研究团队则将这次的成功主要归功于好运，这都多亏了储存在Sablowski电脑中有关于KRP4的旧数据。研究人员表示，目前大多数的研究主要集中在细胞的大小上，但相信更大的问题与细胞周期的控制有关，也就是生长阶段、DNA复制和分裂如何以正确的顺序和正确的时间产生一个健康的细胞。比如癌细胞就是细胞的不正常生长的一个显著例子。
未来，他们希望能够确切地解释KRP4是如何在细胞分裂过程中与DNA结合并分离的，以及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。这些发现或许可以解释基因组大小和细胞大小之间的关系——基因组大，以及细胞中的DNA含量大的物种，它们的细胞往往更大。这些信息对农作物的生长来说尤为重要。可以说，这项研究所揭示的机制，可能与整个生物学王国相关，对动物和人类细胞生物学都具有重要意义。
#创作团队：
文：糖兽#参考来源：
https://www.jic.ac.uk/press-release/how-cells-measure-themselves/https://www.wired.com/story/mystery-solved-how-plant-cells-know-when-to-stop-growing/https://cosmosmagazine.com/science/biology/how-do-cells-know-when-theyre-fully-grown/https://science.sciencemag.org/content/372/6547/1176#图片来源：封面：John Innes Centre
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