一

生物的生長離不開細胞的生長和分裂。細胞總是能通過分裂而不斷產生大小合適的細胞。何為“大小合適”？以典型的人類紅細胞為例，它們總是直徑只有幾微米的扁平小圓盤；以骨骼肌細胞為例，它們是擁有細長形態的結構，可以被拉伸到幾厘米長。

既然細胞分裂產生新細胞對于生物的生長來說是必不可少的，那么一個自然的問題便是，細胞要如何感知自身的大小，如何得知自己已經長大到可以分裂了的呢？

了解細胞如何控制它們的大小是細胞生物學的基礎，因為它決定了細胞內的幾何結構和細胞器的大小；而細胞器的大小又會反過來會影響細胞產生蛋白質和其他分子的方式，從而影響生物合成過程。

在動物細胞中，細胞大小可以通過兩種不同的機制來控制的。首先，細胞周期會保證較小的細胞可以延緩細胞的生長進程，以便在細胞分裂之前積累更多的生物量；另外，與大小有關的細胞生長會確保較大和較小的細胞在單位質量上的生長速度慢于大小最優的細胞。

近十年來，隨著單細胞技術的進步，科學家漸漸在動物細胞中發現了越來越多與細胞大小控制有關的現象。最近，斯坦福大學的生物學家Jan Skotheim和Evgeny Zatulovskiy在回顧了近年來的一些進展之后，在《遺傳學趨勢》上發表了一篇綜述性論文，對迄今為止所了解到的控制了動物細胞大小的機制進行了描述。

另外，根據近年來的一些實驗，Skotheim的團隊還在一篇即將發表在預印網站bioRxiv上的論文中，介紹了一種近年來才被提出的與細胞大小之謎有關的可能性。這是一種認為細胞可以通過感知體內的某些蛋白質是否被稀釋，而“得知”自己是否已經生長到可以分裂的地步的觀點。

二

Skotheim本是一位物理學家和應用數學數學家，他對細胞大小之謎的興趣起源于他的博士后研究時期。當時，他看到了一些關于細胞生長和分裂的延時錄像。物理學家的思維慣性讓他對于細胞是如何感知自身的物理屬性，并根據這些屬性信息采取行動的產生了好奇。他不禁想：像細胞或微生物這一類東西，是如何擁有能夠測量自身大小的機制的？細胞大小這一信息又是如何轉化成可以觸發細胞分裂的生化信號的？

2008年，在Skotheim建立了自己的實驗室之后，便開始搜尋可能控制了細胞大小的分子機制。在當時，研究人員普遍認為細胞在生長過程中會持續產生蛋白質。而在Skotheim的研究團隊中，有一位名為Kurt Schmoller的博士后卻提出，細胞的大小是否與細胞中的蛋白質稀釋有關？

Schmoller想知道，如果某些蛋白質在細胞中的量是特定的，那么隨著細胞的增長，蛋白質的含量就會被稀釋，當細胞“感應”到了這種信號，就“知道”是時候分裂了。

Skotheim團隊用延時顯微鏡對正在生長和分裂的酵母細胞進行觀測，他們對細胞質中的各種蛋白質濃度進行了測量。2015年，他們果然發現了一種會隨著細胞體積的增大而被稀釋的蛋白質，這種蛋白質名為Whi5，是一種可以防止酵母細胞分裂的蛋白質。他們發現，在酵母細胞的生長過程中，有許多蛋白質是可以不斷產生的，然而Whi5的量卻是固定的。因此當Whi5蛋白被稀釋到一定程度時，細胞便會開始分裂。

○ 酵母細胞的生長和分裂：控制細胞分裂的機制與某種蛋白質（明亮區域）的濃度有關。| 圖片來源：K. Schmoller / 斯坦福大學

再后來，Skotheim團隊中的Zatulovskiy在人類細胞中也發現了類似的機制。他發現腫瘤抑制蛋白Rb會隨著細胞的生長而被稀釋，并且Rb以和Whi5一樣的方式，控制細胞何時分裂。

三

就這樣，Skotheim等人將細胞大小與蛋白質稀釋結合到了一起。作為一個學習物理出身、現從事生物學研究的科學家，Skotheim認為物理學的研究背景為他帶來了一個很大的優勢，那就是他會以不同的視角來看待生物學問題，并提出可以與生物學家的方法更相輔相成的方案來解決問題。

當遺傳學家和微生物學家把注意力集中在識別細胞的新部分和理解細胞的整體復雜性上時，物理學家可能更感興趣于發現是否有什么更為基礎的簡單概念——比如稀釋——影響了細胞行為。

現在，Skotheim等人希望能更深入地研究控制這些蛋白質形成的分子機制，以了解為什么有些蛋白質在細胞中的量是固定的，而不是可以不斷產生的。

參考鏈接：

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

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

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