生存还是毁灭，这是个问题
生存还是毁灭，这是个问题Original Måka 原理
2022-05-16 05:30 Posted on 浙江
细胞都有生命周期，其中包括生长到合适的大小，发育出具备执行功能的条件，最后分裂成两个新细胞。这种周期至关重要，它确保了细胞群的延续，并组织构成更大的生命结构，比如生物体内的组织。
但对细胞这种精密的生命机器来说，发育和分裂过程并非易事，比如复制错误在所难免。对生物而言，没有足够数量的细胞自然意味着死亡，但如果细胞中出现了过多错误，同样可能会走向毁灭的结局。因此，它们面临的问题是，细胞如何才能最安全、且最高效地完成分裂？换言之，细胞在分裂时如何平衡风险和速度？
近日，一组研究团队在《自然·物理》上发表的新研究中，首次发展出了第一个描述细胞分裂最佳策略的数学模型，并通过实验进行了验证。这是第一次定量地描述这一过程，为了解细胞机制带来了全新的视角。
细胞的检查点机制
细胞生长和分裂的过程，就像一条精密的流水线。细胞周期本身受到了一种名为检查点的机制的严格调控。
细胞周期示意图，细胞会受到各种检查点的严格调控。（图／OpenStax, Wikimedia Commons, CC BY）
这种反馈调节机制作为一种质量控制的监测器，能够鉴别细胞周期进程中的错误，决定了细胞能否进入周期的下一个阶段。当它们发现问题时，可以阻止细胞周期进一步运行。这样一来，就能防止突变或者DNA损伤等错误传递给下一代细胞，从而保证了细胞周期的秩序、完整性和保真性。 但没有任何一种机制是万无一失的。检查点本身会出故障，或者可能出现一种检查点越控的现象，也就是说，即使错误存在，细胞仍会继续分裂或生长，而不完全停止。
这更像一道“选择题”：完全停止分裂意味着死亡，而不完全停止或许能继续生存，但也可能带来死亡的风险，比如，如果发生在人体中，结果可能是细胞生长和分裂不受控，这就是癌症会出现的情况。那么，究竟是“停”还是“走”，这是个问题。
检查点越控的数学原理
尽管检查点越控的问题十分关键，但无论是理论上还是实验上，对它的理解都不是非常透彻。过往对于这种检查点的风险和速度权衡的研究，大多仅仅局限于定性探讨。
新的研究团队对此进行了更深入的挖掘，从而提出了首个描述检查点越控过程的数学理论。
研究人员着眼于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），几个世纪以来，这种生物一直被用于酿酒和烘焙等领域。这种生物的DNA损伤检查点也是被研究得最透彻的生物检测系统之一。
酿酒酵母的扫描电子显微照。（图／Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy, Wikimedia Commons, CC BY-SA）
我们可以把这种风险和速度之间的权衡，想象成工厂流水线的质量控制系统。面对不确定的后果，系统必须选择停下流水线，还是继续生产。问题就变成了，在产品质量受到影响之前，系统能以多快的速度制造产品？怎样的策略才能平衡质量和效率？
团队从数学分析开始，研究了风险和速度之间的关系。从本质上来说，这一理论其实是在平衡不同的概率，它计算的是等待（“停”）和继续自我复制（“走”）的情况下适应度的变化。等待意味着，制造出的后代越来越少。另一种选择是冒险仍然分裂，这有一定概率存活，也有一定概率死亡。 在数学上，这个问题可以映射到随机游走的吸收边界的优化。团队提出的理论计算出了风险和速度何时可以达到相互平衡，确定了最优“选择”。他们的定量分析还发现，检查点越控的现象可能比过去人们认为的更为普遍。
癌症层面的问题
尽管这一理论是为酵母开发的，但团队相信，它广泛适用于细胞，因为它仅仅考虑了风险和速度，而这些因素影响着所有生物。 此外，当细胞癌变时，细胞的适应度与宿主的适应度便脱钩了。达尔文进化论表明，细胞应该会重塑它们的检查点，从而最大限度地增长。这也是团队目前最感兴趣的问题之一。 理论上来说，癌细胞应该不会完全抛弃它的检查点系统，因为这么做会让每次分裂都面临过高的风险，但它们的检查点和癌变前相比也一定有所不同。研究人员计划下一步研究是探索细胞癌变后，是否仍然会以这种理论描述的最优方式重连它们的检查点。
#创作团队：
编译：Måka排版：雯雯
#参考来源：
https://actu.epfl.ch/news/how-cells-correct-errors-under-time-pressure/https://www.nature.com/articles/s41567-022-01601-3#图片来源：
封面图&首图：Zappy Technology Solutions, Flickr, CC BY
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