《科學》：為什麼細胞不能無限長大？斯坦福科學家發現，隨著細胞增大抑制分裂的蛋白濃度降低，加速細胞分裂丨科學大發現
2020-08-22 奇點網
今天咱們來講點微觀的故事。
雖然奇點糕站在這裡只是孤孤單單一個糕，但是如果把奇點糕像樂高那樣拆吧拆吧，拆到細胞級別，就會變成一坨正常人根本數不明白的零件。
畢竟一個人能有幾十萬億個細胞呢！
說到細胞，好像我們印象裡的細胞就是那樣小小的，各種生物的細胞基本也都保持在一個有限的大小範圍之內，為什麼細胞不會無限長大呢？如果它們每個都能大一丟丟奇點糕是不是就能長更高了呢……
以奇點糕對生物體之複雜的了解，這事兒整不好會超級複雜。。。But！根據一項史丹福大學學者發表在《科學》雜誌上的新研究[1]，細胞控制自己大小的方法還真是簡單得不可思議。科學家發現，細胞體積增長，細胞內抑制細胞分裂的蛋白卻不會隨著等比例增長，因而濃度下降，無法抑制細胞想要一分為二的雄心，所以細胞能長到的大小就有天花板了！
這機制還真是怪淳樸的！
圖源 | pixabay
一細想這個事兒還真的挺有意思。細胞裡面有那麼多細胞器，每天要發生那麼多重要的生理反應，形象點說活像個微觀工廠。在工廠裡從一個流程到另一個流程都是有定律的，一下大一下小還真不是那麼回事兒。細胞大小事關功能，特定類型細胞通常大小也是一致的，生物體到底是怎麼這麼精確地管理它們的呢？
為了說明白這是怎麼一回事兒，咱們先來聊聊細胞周期。
對一個正常細胞來說，它這一輩子大概就兩件大事兒：長大個兒、生崽崽。這兩件事交替進行，一個交替就可以叫做一個細胞周期。
來看圖，這個環就是細胞周期比較直觀的體現。在有絲分裂（M）期，細胞完成一分為二的生孩大事，在其他時間（間期），細胞慢慢生長為分裂做準備。S期是細胞DNA複製的時間，G1/G2期細胞則慢慢長大。
至於G0，那是細胞「世界那麼大我想去看看」的自我放鬆時間。
對哺乳動物細胞來說，從生長到生崽，這個轉變的時間點主要出現在從G1到S期的過渡[2]。雖然科學家們已經發現了一些細胞周期調控因子的變化會影響到細胞大小，但是具體是怎麼徹底改變細胞人生規劃的還不清楚[3]。
既往的研究已經找到了部分答案。調節細胞大小和生命周期的其中一個機制就是改變特定信號分子的濃度。比如說在芽殖酵母中，存在一種細胞周期抑制蛋白Whi5，在G1期細胞長大會稀釋掉細胞內Whi5的濃度，從而觸發細胞周期[4]。
換到哺乳動物細胞中，也有和Whi5功能類似的蛋白，那就是視網膜母細胞瘤蛋白家族成員Rb、p107和p130了。它們可以通過結合併抑制E2F轉錄因子來推進細胞周期。
此前有研究發現，在小鼠細胞中缺少Rb會改變細胞大小，那麼對於人類細胞來說，Rb是否就是那個Whi5呢？
首先得能看到細胞裡的Rb。研究者們給Rb蛋白接上了綠色螢光蛋白，這樣就能測出Rb的數量了。從實驗結果來看，Rb蛋白的量在G1期基本不變，在隨後的S/G2/M期增加，同時Rb存在的細胞核體積也在穩步增加。
細胞周期中Rb蛋白數量的變化
與此不同的是，另外一種同樣功能的細胞周期抑制蛋白p21，則是在G1期開始積累，然後在進入S期的時候迅速降解。
研究者測試了四種不同的人類細胞，都發現Rb的數量和細胞大小就也沒啥關係。
至於Rb的另外兩個親戚，p107的水平基本穩定，p130則並不在細胞周期中表達。
由此來看Rb就是那個被稀釋的細胞周期開關了。
研究者通過改變Rb等位基因的數量改變了細胞內Rb的表達，結果很有趣。研究者發現，Rb的濃度對細胞周期影響非常大，Rb濃度每差2.5倍，就會造成G1期10個小時的時常差——正常情況下整個細胞周期時常也就16-17個小時；而將Rb濃度減半，細胞周期啟動的速度就會加速兩倍。
另外，實驗中還有一個很有意思的發現。
細胞一分為二的時候，其實並不總是均等分的，但是研究者卻發現，無論這分開的兩個細胞是一樣大還是一大一小，它們分到的Rb蛋白其實都是差不多的。研究者認為，這可能是Rb與染色體之間存在綁定關係，Rb隨著染色體分離公共平平地分給了兩個子代細胞。
可見細胞分裂時Rb與染色體的行動基本是同步的
還挺像分家產的。
好了這篇論文就說到這裡了，細胞的身材管理做得真是周密。
不過奇點糕還是想長高。
編輯神叨叨
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參考資料：
[1]Zatulovskiy E, Zhang S, Berenson D F, et al. Cell growth dilutes the cell cycle inhibitor Rb to trigger cell division[J]. Science, 2020, 369(6502): 466-471.
[2] D. Killander, A. Zetterberg, Exp. Cell Res. 40, 12–20 (1965).
[3] E. Zatulovskiy, J. M. Skotheim, Trends Genet. 36, 360–372(2020).
[4] K. M. Schmoller, J. J. Turner, M. Kõivomägi, J. M. Skotheim,Nature 526, 268–272 (2015).
本文作者 | 代絲雨
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