多倍體將會有很多用途，我們現在知道的只是皮毛。
一個有著正常數量兩倍染色體的人體細胞試圖分裂。
圖片來源：NEIL J. GANEM/波士頓大學
細胞分裂通常會遵循一個簡單的規則。在複製DNA後，細胞分裂，產生兩個子細胞。幾年前，當時在美國波特蘭俄勒岡健康與科學大學讀博士後的Andrew Duncan拍下了小鼠肝細胞分裂的影像，結果令其同事目瞪口呆。「我們看到一個細胞分裂成3個或4個子細胞。」Duncan說道。Duncan現在是匹茲堡大學的一名組織生物學家。染色體通常在分裂前會整齊地排列在細胞中間，然而很多肝細胞中的染色體卻以非常規的形式排列。
這些肝細胞在分裂前有著不同尋常的行為，因為它們是多倍體，攜帶著額外的染色體。染色體在植物、昆蟲、魚和其他一些生物中盛行。但大多數的人類細胞是二倍體。事實上，額外染色體通常會給哺乳動物的細胞帶來麻煩。
幾十年來，研究人員一直猜測多倍體是否會為哺乳動物細胞提供一些優勢，例如增加蛋白質合成等，但始終未能驗證其想法。隨著科學家逐漸識別了一些可以幫助調節多倍體的蛋白質，這一情況發生了變化。最近科學家開始探索這種奇怪的細胞狀態可能具有的功能。這些額外的染色體是否會為細胞儲備能力，從而使其應對壓力和傷害呢？「真正懸而未決的問題是為何一些細胞會是多倍體？」北卡羅來納大學（UNC）的發育遺傳學家Robert Duronio表示，「我們正準備開始回答這個問題。」
儘管多倍體神秘的功能之謎尚未解開，一些研究人員已經希望利用這一現象做更多的事。他們試圖用多倍體對抗某些癌症，從而迫使細胞停止不受控制的分裂。
利與弊
Duronio和同事在2009年的一篇論文中描述道，多倍體就像是「一個危險的惡作劇」。對於正常的兩套染色體來說，一個額外染色體的出現可能是災難性的，例如導致唐氏症候群。它還有一個潛在的危害。「它可以致癌。」波士頓Dana-Farber癌症研究所的細胞生物學家和兒科腫瘤學家David Pellman說道。Pellman稱，多倍體並不會在所有情況下都導致癌症，但是風險很大。其同事在2013年發表於《自然—遺傳學》上的報告中稱，37%的癌症都涉及到多倍體。細胞中的一種蛋白質p53會在DNA數量異常時提醒細胞，從而實現自我凋亡或者減少分裂。俄亥俄州立大學生物學家Gustavo Leone解釋道，因此細胞在變成多倍體之前，會使p53和其他能抵禦基因損壞的蛋白質喪失功能。
由於對細胞周期的研究，研究人員逐漸掌握了細胞成為多倍體的分子機制。研究人員發現，在適當情況下，一些蛋白質會引導細胞成為多倍體狀態。為了調整細胞的染色體情況，一些研究小組最近使用小鼠開展多倍體轉基因實驗。通過實驗，波士頓大學醫學院的生物藥學家Katya Ravid和同事推測，額外的基因可以幫助細胞製造血小板。
2010年，Ravid的團隊通過小鼠轉基因製造出大量可產生多倍體的蛋白質。儘管這些蛋白質使細胞含有的染色體組數量增加，但並未相應引起血小板數量的增加。研究團隊將報告發表在《生物化學雜誌》上。Ravid提出，多倍體的好處其實是增加細胞的結構支撐和細胞間聯繫所需要的蛋白質數量。
賓夕法尼亞大學醫學院的生物物理工程師Dennis Discher卻給出了另一種解釋。他認為，多倍體對巨核細胞的作用就像高卡路裡的飲食對相撲選手的作用——可以增加體積。「如果你問我為何細胞會成為多倍體狀態，我會說因為它可以幫助固定骨髓細胞。」Discher說道。其團隊將發現發表於2013年11月19日的《國家科學院院刊》上。
研究人員已經從其他物種中獲得證據，表明多倍體的好處之一就是其產生的額外重量。在2012年的一項果蠅研究中，麻省理工學院的Terry Orr-Weaver和同事Yingdee Unhavaithaya發現，當他們在形成血腦屏障的細胞中減少可產生多倍體的蛋白質時，細胞產生萎縮，該屏障也發生了洩漏。他們還發現，擴大這些變小的細胞後，就能恢復緊密的密封狀態。
然而Leone的團隊卻認為，對於一種多倍體狀態達到極端的哺乳動物細胞類型來說，這種體積作用是說不通的。小鼠胚胎表層的巨大滋養層細胞中的基因組複製能達到1000個。這種細胞幫助將胚胎植入母體子宮，研究人員表示，增加的染色體允許細胞迅速擴大，使胚胎滲透到子宮內膜。「我們期待證實，多倍體的存在確實有一定意義。」Leone說道。
潛在影響
多倍體也存在於心臟和肝臟這兩個器官中，研究人員正在探索對多倍體的另一種解釋。杜克大學醫學中心的細胞生物學家Donald Fox表示，對於許多細胞類型來說，多倍體也許是一種重要的應激反應和適應方式。
這種說法的依據來自於一項小鼠心臟研究。在該研究中，幾乎所有的細胞都含有4組染色體。2010年，德國馬普學會心臟與肺研究中心的幹細胞生物學家Thomas Braun和同事對轉基因小鼠進行研究，這些小鼠的肌肉細胞都缺少一個可以產生多倍體的基因。儘管該基因的缺少並沒有使所有心臟細胞都保持二倍體狀態，但確實使染色體組的數量減少了約1/3。
「在基線條件下，小鼠都很正常。」Braun說道。不過，當小鼠在處理心臟病等情況時，其缺陷就出現了。動物心臟細胞中多倍體減少時，在心臟病發作後會泵入更少的血液。Braun稱，多倍體使心臟復甦的方式尚不清楚。
Duncan和同事對肝細胞的相關研究也支持這種猜測。在發表於2010年《自然》雜誌上的論文中，其團隊發現，很多多倍體細胞分裂時會產生雙倍體子細胞。但是這些雙倍體子細胞卻不會正常生長，許多會增加或減少一個染色體，該情況被稱為「非整倍體」。「大多數癌症病例都說明，非整倍體就是癌症的代名詞。」Duncan說道。
不過一些研究人員提出，非整倍體可以在組織或者器官中產生有用的遺傳多樣性，從而使細胞添加有益的基因副本。當Duncan和同事研究小鼠肝臟再生時，他們發現再生發生的位置有著豐富的非整倍體細胞。
Duncan現在猜測，肝臟中的多倍體是產生有再生能力的非整倍體細胞的迂迴方式。其團隊目前正在試圖證實，這些細胞可以刺激B肝患者的肝臟再生。
如何利用
儘管研究人員尚未解決多倍體之謎，但他們已經在想，如何應用已發現的信息。西北大學範伯格醫學院的白血病生物學家John Crispino和同事將目光投向了由巨核細胞引起的急性髓系白血病。Crispino和同事指出，迫使細胞成為多倍體並生長成熟也許可以治療該病。
多倍體研究在近年取得了一些進展，但是多倍體對不同的哺乳動物細胞類型有何作用仍未確定。Lenone稱，為取得進展，研究人員應該從植物生物學家的工作中獲得靈感，他們已經測試了特定環境條件下多倍體的優勢——能提高對鹽度的忍受度。科學家可以對肝臟細胞進行類似的研究。Duronio預測道，進一步研究多倍體細胞的作用也許會產生一些驚喜。「多倍體將會有很多用途，我們現在知道的只是皮毛。」（苗妮）
《中國科學報》 (2014-02-19 第3版 國際)