圖為頂端分生組織（中央），側面是正在形成的花蕾。綠色標記的細胞即將進入DNA複製階段，洋紅色標記表明KRP4蛋白正在積累，這是調控細胞大小機制的一部分。圖片來源：John Innes Centre
自350多年前科學家們在顯微鏡下發現細胞以來，他們就注意到每一種細胞都有其特定的大小。從微小的細菌到幾英寸長的神經元，大小深刻影響著細胞的工作方式。然而，這些生命的組成元件如何調節自身大小仍然是一個謎。
現在我們對這個長期存在的生物學問題提出一個解釋。在一項針對不斷生長的植物頂端的研究中，研究人員發現，細胞能夠利用所含的DNA作為內部參照物，來評估和調整自身的大小。
本研究的通訊作者、英國約翰·英尼斯中心（John Innes Centre）一個研究小組的組長Robert Sablowski說：“很久以前就有人提出，DNA可以用於評估細胞大小，但當時還不清楚細胞如何利用這把標尺。其中關鍵的是細胞會用DNA作為模板來積累適量的蛋白質，然後在細胞分裂前將其稀釋。能找到一個如此簡單的方法來解決這個長期存在的問題，這真是令人興奮。”
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細胞大小是由細胞生長和分裂頻率的平衡決定的。人們早就知道，細胞在分裂前會長到一定大小。但是，細胞如何知道它生長了多少呢？
莖的分生組織是研究這個問題的一個有利材料，這是植物生長的頂端，它會分裂出新的細胞來產生葉子、花和莖。分生組織細胞不斷生長和分裂。它們的分裂往往是不均等的，會產生不同大小的細胞。隨著時間的推移，這些差異會逐漸增加，但分生組織細胞的大小在長時間內處在一個較為精密的範圍。
在這項發表在《科學》（Science）雜誌上的研究中，約翰·英尼斯中心的研究人員仔細跟蹤了分生組織細胞的生長和分裂。他們發現，儘管細胞具有不同的大小，但是當細胞準備複製DNA（這是細胞分裂前的必要步驟，每個新細胞都需要一份DNA的副本）時，細胞大小的初始差異大部分都已經得到了修正。
然後，他們監測了一種名為KRP4的蛋白質，它的作用是延遲DNA複製的開始。研究發現，無論它們最初的大小如何，細胞總是含有相同總量的KRP4。這意味著當一個細胞形成時太小，它就會獲得更高濃度的KRP4，這就延緩了它的DNA複製程序，讓細胞有時間生長，使得其大小能趕上其他細胞。相反，如果一個細胞形成時太大，KRP4就會被稀釋，使得細胞可以快速進入下一個階段，而不會進一步生長。隨著時間的推移，這種機制使分生組織細胞保持在一個較為統一的大小範圍內。
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但是，是什麼保證細胞一開始就有相同總量的KRP4呢？事實證明，當細胞分裂時，KRP4會搭上DNA的“順風車”，DNA以相同的複製數傳遞給每個新生細胞。這樣，KRP4的初始量就與細胞的DNA含量成正比。為了確保KRP4在母細胞中按照DNA含量的比例積累，任何未與DNA結合的多餘KRP4都會在細胞分裂前被另一種名為FBL17的蛋白質破壞。利用數學模型和基因編輯產生的、具有不同遺傳組分的突變體都證實了這一機制。
Robert Sablowski教授解釋了這一過程：“我們必須解決的一個謎題是，當細胞的大部分成分在數量和大小上同時增加時，細胞如何知道它增長了多少。一個例外是DNA，它以離散的數量存在於細胞中——它的數量在細胞分裂前精確地翻倍，但它不隨細胞生長而變化。”
接下來的實驗將試圖解釋蛋白KRP4的調控機制，以及它們如何在細胞分裂過程中與染色體分離。研究人員還想了解這種機制是否受不同細胞型別的調節，從而產生不同的平均細胞大小。
這些發現可能解釋了基因組大小和細胞大小之間的關係——基因組較大的物種的細胞中有很多DNA，它們的細胞往往更大。這在作物中尤為重要，許多含有多個野生祖先基因組複製的作物通常會被挑選出來，它們能產生更大的細胞，其果實和種子通常也更大。
包括KRP4在內的遺傳機制組成元件存在於許多生物體中，已經有人提出，這些組成部分在調節人類細胞的細胞大小方面很重要。因此，本研究中揭示的機制可能也與整個生物學王國相關，對動物和人類細胞生物學也具有啟示意義。
翻譯：一晴
審校：戚譯引
引進來源：John Innes Centre
本文來自：中國數字科技館
