细胞如何“丈量”它们的大小

作者：Erika K. Carlson 来源：中国数字科技馆

正在成长与分裂的酵母菌细胞。控制成长细胞分裂的机制与一种特定的蛋白质的浓度相关联（明亮区域）。

（图片来源：K. Schmoller/斯坦福大学）

在生物体内，单个细胞的成长与分裂是产生新细胞的必要之举。但细胞如何知道它们大到可以一分为二呢？一个由加州斯坦福大学Jan Skotheim领导小组的一项发现表明，细胞似乎是感应到其中特定的蛋白质被充分稀释了。

蛋白质稀释可能控制细胞大小的观点在几年前才被提出，而且研究人员继续探索这个想法的新部分。Skotheim和他的同僚Evgeny Zatulovskiy最近在《遗传学进展》（Trends in Genetics）上发表了一份综述，描述动物细胞大小控制中已经研究清楚的问题。多亏于近期的实验，Skotheim的小组可能解决了控制细胞大小的新困惑，他们近期将在预印网站bioRxiv上发表论文。

Skotheim说：“理解细胞是如何控制自身大小是细胞生物学的基础。”细胞大小决定了其细胞器大小，这也影响了细胞如何产生蛋白质与其他分子来实现其至关重要的功能。而且神奇的是细胞生长并分裂将产生的“正常大小”的同类细胞。比如说，典型的人类红细胞是几微米长碟形细胞，但骨骼肌肉细胞就是细长结构的，可以伸展几厘米长。

Skotheim说他第一次被细胞大小谜题吸引是在他博士后研究员时看到细胞生长与分裂的延时视频。从那以后，学业背景为物理与应用数学的Skotheim将他的职业转向了生物领域。但由于他的学业上的训练，他特别热衷于理解细胞如何感知自身的物理特性并根据这些信息采取行动。Skotheim问道：“细胞甚至说微生物是通过什么机制来测量其大小？如何将细胞大小转化为生化信号并触发细胞分裂？”

2008年在Skotheim开始拥有自己的实验室后不久，他开始寻找控制细胞大小的分子机制。那时，研究人员普遍假设：随着细胞生长，他们能产生更多的特定蛋白质。但Kurt Schmoller，一个与Skotheim一起工作的博士后，猜想细胞大小可能与一种细胞中的蛋白质的稀释相关联。如果一个细胞只产生一定量的蛋白质，那么蛋白质将随着细胞变大而稀释，从而使细胞知道是时间分裂了。

Schmoller，Skotheim和其他人利用延时技术测量了生长与分裂时细胞质中多种蛋白质的浓度。很快在2015年，他们发现一种被称为Whi5的蛋白质，这种蛋白质促使酵母菌细胞分裂，随着细胞增大而稀释。随着细胞生长，它会持续不断的产生其他蛋白质，但只生产一定量的蛋白质Whi5。当蛋白质Whi5稀释到一个特定值时，细胞随之分裂。之后，作为博士后与Skotheim合作时，Zatulovskiy在人类细胞中发现相似的机制。在多种癌症中起作用的肿瘤抑制蛋白Rb随细胞生长而稀释，以类似Whi5的作用控制细胞分裂。

现在研究人员已经将细胞大小与蛋白质稀释程度相关联，他们希望对控制这些蛋白合成的分子机制有个更好的理解。例如，Skotheim小组近期发现酵母菌细胞总是产生相同量的Whi5蛋白质，该生产过程与细胞大小相独立。这项他们打算在近期论文中描述的发现将帮助解释为什么细胞只产生一定量的蛋白质，而非随着它们生长而持续不断的产生蛋白质。

Skotheim说，有着物理背景的研究人员给生物研究带来的最重要的事情，就是不同的研究角度与互补的考虑问题的方式。但当遗传学家和微生物学家努力识别细胞的新部分时并理解细胞的复杂性时，物理学家更感兴趣于寻找简单的概念——像稀释——构成细胞行为的基础。Skotheim说：“物理学家想将事情分解到一个能尽可能解释更多现象的概念。”