細胞分裂的分子原理——一個值諾貝爾獎的科學領域

2021-01-13 饒議科學

細胞分裂的分子原理——一個值諾貝爾獎的科學領域


　　華盛頓大學 中國科學院 饒毅


　　細胞是許多生命形式的基本單元。細胞進行分裂是細胞生長的重要環節。過去二十年的研究表明：從簡單的單細胞生物酵母，到複雜如人的多細胞生物，通用一個相同的分子機器，控制細胞分裂的周期性過程。這一領域的成果，不僅解答了細胞生物學的基本問題，並直接推動了包括癌症研究在內的其它領域。其重要性清楚地置其於諾貝爾獎候選範圍。


　　很長以來已經知道，細胞分裂周期是很有規律的。二個大的過程是DNA合成和細胞分裂本身。它們分別發表在細胞周期的S和M期。這二個相中間又有所謂「間期」。這些亞期的循序發生，構成一個整的細胞分裂周期，在不同的細胞其形式大同小異。


　　對細胞周期研究的突破，來源於對酵母、青蛙和一種低等海洋生物的研究。七十年代初，美國西雅圖的華盛頓大學哈特沃(Leland Hartwell)，用遺傳學方法篩選一種酵母中控制細胞周期的基因，他發現的一群基因，成為八十年代和九十年代人們研究細胞周期的主要對象。也在七十年代，英國牛津大學的勒思(Paul Nurse)，用另外一種酵母找影響細胞周期的基因。他對其中一個基因進行了進一步的分子生物學和生物化學研究，證明這個基因的產物是一種蛋白激酶。這個酶的激活和失活，是決定細胞周期運轉的關鍵。用青蛙的卵細胞做細胞周期的研究，在六十年代底、七十年代初有一重要進展提示有某種顯性物質有作用，但這種物質的本質直到八十年代中才開始被揭示。一九八八年美國科羅拉多大學的馬勒，和加州大學聖迭哥校區的紐波特分別領導的二個小組純化了這種物質，發現其主要成分之一就是跟酵母中那個酶一樣的分子。其中另外一個主要成分後來發現是跟一種叫「循環素」一樣的分子。循環素是1983年英國的漢特實驗室最早從海洋無脊椎動物中找到的，其特點是在細胞周期的不同階段有漲有落。這二個分子，特定的蛋白激酶和循環素，就構成了細胞周期的核心機器，從簡單細胞到人都相似。


　　迄今為止，受細胞周期研究突破影響最大的是癌症研究。細胞周期的失調是癌症的根本原因。已經有確切的證據表明，有一些癌症的產生是因為直接調控細胞周期機器的基因失常。也有工作發現，一些對細胞分裂周期機器有剎車作用的分子，可以用來控制一些惡性分裂。這種性質的研究都是現在的前沿課題。


　　細胞周期研究的突破，無疑值得給諾貝爾獎。其中美國的哈特沃和英國的勒恩二位特別突出。有無第三位則不易定。至於哪一年得則更難猜了。以前有快的如楊振寧、李政道工作出來一年得獎的，慢的有如基因工程開創者（加州大學的波耶爾和史丹福大學的科恩）至今還未得獎的。當然得獎是否重要，則取決於每個人的觀點了。



（本文於1998年發表於《科技日報》, 2001年以上介紹的Hartwell、 Nurse 和Hunt獲得諾貝爾獎）


相關焦點

  • 科學家在細胞外「重演」細胞分裂
    科技日報北京6月2日電 （記者劉霞）科學家一直希望能夠了解細胞如何建立、移動、運輸和分裂背後的物理學。據物理學家組織網近日報導，美國團隊的最新研究首次在細胞外「重演」了細胞分裂過程，該成果將有助進一步洞悉細胞開展日常活動的物理過程，有朝一日催生出重大醫學突破，並為新型材料甚至人造細胞開闢新方向。芝加哥大學物理學教授瑪格麗特·加德爾和博士後基姆·韋裡奇領導了這項創新性研究。
  • 細胞分裂過程首次在細胞外「重演」
    圖為細胞分裂過程首次在細胞外「重演」。來源：物理學家組織網科技日報記者 劉霞據物理學家組織網30日報導，科學家一直希望能夠了解細胞如何建立、移動、運輸和分裂背後的物理學。現在，美國科學家首次在細胞外「重演」了細胞分裂過程。
  • 拓撲、細胞自噬、分子機器,中國距離諾獎這些領域還有多遠?
    本文圖片均為 視覺中國 圖細胞「吃掉自己」實現自救雖然在生命科學領域相對落後，但在細胞自噬這個具體方向上，我國科學家處於領先地位「自噬」字面意思是「將自己吃掉」，實則是一種細胞自身成分降解和循環的基本過程。
  • 細胞分裂
    以後，兩個間體由於其間的質膜的生長而逐漸離開，與它們相連接的兩個DNA分子環於是被拉開，每一個DNA環與一個間體相連。在被拉開的兩個DNA環之間細胞膜向中央長入，形成隔膜，終於使一個細胞分為兩個細胞。真核細胞按細胞核分裂的狀況可分為3種：即有絲分裂、減數分裂和無絲分裂。有絲分裂是真核細胞分裂的基本形式。
  • 細胞分裂的秘密
    而著絲粒的完整性是細胞成功分裂的關鍵。著絲粒是染色體上的一個特殊DNA區域，是紡錘絲微管的附著之處，也是姐妹染色單體在分開前相互連接的地方。分離染色體的微管要識別著絲粒，需要該區域富含一種關鍵的蛋白——CENP-A。在細胞進行DNA複製準備分裂的時候，需要確保新舊DNA鏈的著絲粒區域填充有足夠的CENP-A。
  • 《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
    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？
  • 2020中科院上海生命科學研究院分子細胞科學卓越創新中心童明漢...
    中國科學院分子細胞科學卓越創新中心(生物化學與細胞生物學研究所)童明漢研究組(http://www.sibcb.ac.cn/PI.asp?id=152)因工作需要，現需再招聘博士後2～3名。
  • 新的細胞分裂理論
    為了幫助科學家研究這一重要過程，艾倫細胞科學研究所推出了一種新工具，即集成有絲分裂幹細胞，可以顯示細胞分裂——或有絲分裂——在一般人類幹細胞中的樣子。集成的有絲分裂幹細胞是艾倫細胞科學研究所開發的一種新工具，用於可視化細胞分裂過程中人類幹細胞的樣子。
  • 科學家發現新蛋白質:導致新的生物分子來控制細胞或微生物的pH值
    研究人員調查了被歸類為阿斯加德古菌，並在它們的膜中發現一種蛋白質，其作用是一個微型的光激活泵分裂視紫紅質蛋白將質子吸引到生物體體內。這項研究可能會導致新的生物分子工具來控制細胞或微生物的pH值，甚至可能更多。 阿斯加德古菌對科學來說是比較新的，但它們在很多方面對我們來說都是古老而重要的。它們是單細胞生物，最初在海底被發現。阿斯加德古菌這就是所謂的原核生物，它們沒有細胞核，儘管如此，它們在基因上仍然接近於真正含有細胞核的單細胞生物。
  • Developmental Biology:線蟲側線細胞分裂調控分子機制
    ，該文章首次報導了線蟲的ceh-16基因通過和Wnt信號通路的相互作用來調節線蟲側線細胞的對稱和不對稱分裂。我們都知道，幹細胞可以通過對稱分裂來增加本身的數目，也可以通過不對稱分裂產生一系列分化的細胞。但是決定發育過程中幹細胞對稱和不對稱分裂的選擇機制仍不是很清楚。本篇文章以線蟲的側線細胞為模型發現線蟲的engrailed同源基因ceh-16能夠和Wnt信號通路相互作用來決定側線細胞的對稱分裂。
  • 《科學》:醋酸根對人體細胞變化有大影響
    德國馬普生物化學研究所和丹麥哥本哈根大學的研究人員發現，人體蛋白質化學組分中的醋酸根對人體細胞的變化有很大影響，不管是細胞分裂，還是DNA遺傳，或是細胞老化過程
  • 趨利避害竟是細胞分裂的「天性」
    人體每時每刻都在發生細胞分裂。細胞分裂通常包括細胞核分裂和細胞質分裂兩部分，母細胞會在核分裂過程中將遺傳物質傳遞給子細胞，維持生命遺傳信息的延續。在中學教科書裡，這一過程被描述為「平均分配」。相關研究成果已在線刊登於國際著名《分子細胞》雜誌上。分裂後的「雙胞胎」外表很像內在不同2013年，在帶領本科學生做創新實驗時，應頌敏與學生意外觀察到了一對外表長得很像但內在並不相同的「雙胞胎」細胞。
  • 細胞分裂之謎揭開
    當細胞迅速生長並一分為二時，是什麼觸發了這種分裂？和細胞最終達到的大小有關？還是與細胞生長的時間有關？美國科研人員揭示了謎題的答案，而且這一答案出乎很多人的意料——細胞分裂與二者都沒有關係，它們遵循著特殊的量化原則保證不同大小細胞穩定分布。相關結果發表在《Current Biology》上。細胞如何控制自己的大小並保持不同大小的穩定分布是生物學懸而未決的基本問題之一。
  • 諾貝爾獎開獎!生理醫學獎花落細胞感知氧氣領域 概念股會否再次被...
    10月7日，2019年度諾貝爾獎正式開啟「開獎周」，六大獎項將陸續揭曉。　　北京時間10月7日17:30,2019年諾貝爾生理醫學獎獲獎名單率先公布。三位細胞領域的科學家共同斬獲了這一殊榮。　　獲獎者分別為威廉·凱林(William G。 Kaelin Jr)、彼得·拉特克利夫(Sir Peter J。
  • 簡單機械力實現人造細胞分裂—新聞—科學網
    在這樣的分裂過程中，細胞外膜必須經歷一系列的形態轉變，最終膜分裂。近日，德國馬普學會膠體與界面研究所和聚合物研究所的研究人員，通過在人工細胞膜上固定低密度的蛋白質，現在已經實現了對這些形狀轉變和由此產生的分裂過程前所未有的控制。 為了控制分裂過程，今天的細胞依賴於由ATP驅動水解的高度特化蛋白質複合物。然而，正如研究人員認為控制分裂可以通過一種更簡單的方式實現。
  • 科學家發現動物發育的分子「圖譜」
    科學家們在分子水平上對正在發育的線蟲胚胎的細胞進行了分類。在這個可視化的數據集中，每個點代表一個細胞，顏色代表該細胞來自的胚胎時期（橙色=早期，綠色=中期，藍色/紅色=晚期），這些點的排列方式使具有相似轉錄組的細胞彼此靠近。
  • 細胞分裂新發現 解開25年的科學之謎
    25年前，科學家們就發現細菌能通過在中心位置形成一個Z形環而分裂成兩個子細胞，但是一直以來他們都不清楚其中具體的細胞分裂機制。現在來自哈佛大學等處的研究人員利用先進的顯微鏡，成功解開了這個謎題，發現了細菌如何做到這一點的：它們似乎能在25分鐘內，藉助於多個分子「磚（bricklayers）」從外部構建一個新的細胞壁。
  • 深圳先進院在細菌細胞生長分裂領域獲進展
    5月18日，中國科學院深圳先進技術研究院、深圳合成生物學創新研究院劉陳立團隊在細菌細胞生長分裂領域獲得新進展，研究成果修正了主導該領域的兩大法則，揭示了細菌細胞分裂的全新機制，其研究成果發表在國際期刊《自然-微生物學》雜誌。
  • 細胞骨架與有絲分裂
    而在實際教學中，教師對細胞骨架在細胞分裂中所起作用仍存有疑問，如紡錘絲如何控制染色體在不同分裂時期的行為、有絲分裂末期細胞胞質分裂與何因素有關等。1細胞骨架的組成及功能概述細胞骨架是貫穿在整個細胞質中，由蛋白質纖維組成的網狀結構#這些蛋白質纖維可分為3類，分別是微管、微絲和中間絲（表1）。
  • 南科大學者揭示細胞「物流系統」分子機制
    細胞內物質的有序運輸，依賴於細胞骨架和分子馬達蛋白二者相互配合來完成。前者相互交叉形成網絡，分布於整個細胞中，為細胞內各類物質轉運提供軌道；而後者則是胞內物質運輸的直接承載者，負載貨物行走於細胞骨架構成的軌道上，將貨物運送到特定區域。一旦細胞內物質運輸體系發生紊亂，則會引發各類疾病。研究表明，多種神經退行性疾病，如阿爾茲海默症、亨廷頓舞蹈症等，都與神經元軸突中分子馬達蛋白介導的物質運輸受阻有關。