新研究闡明為何每種給定類型的細(xì)胞具有相同大小

在人類中，不同細(xì)胞的大小相差100倍以上，從微小的紅細(xì)胞到較大的神經(jīng)元。但是，在每種細(xì)胞類型中，與標(biāo)準(zhǔn)大小的偏差非常小。在一項以酵母為實驗對象的新研究中，來自美國麻省理工學(xué)院的研究人員將細(xì)胞培養(yǎng)成正常大小的10倍，并發(fā)現(xiàn)它們的DNA無法滿足產(chǎn)生足夠的蛋白來維持正常細(xì)胞功能的需求。此外，他們發(fā)現(xiàn)，這種蛋白短缺導(dǎo)致細(xì)胞進(jìn)入一種稱為衰老（senescence）的非分裂狀態(tài)，這有可能解釋著細(xì)胞如何隨著年齡增加而變得衰老。相關(guān)研究結(jié)果于2019年2月7日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm Dilution And Contributes to Senescence”。

論文通訊作者、麻省理工學(xué)院的Angelika Amon說道，“有很多假設(shè)試圖解釋為何會發(fā)生衰老，我認(rèn)為這些數(shù)據(jù)為衰老提供了一個美麗而又簡單的解釋?！?/span>

過大的細(xì)胞大小

為了探究為何細(xì)胞大小如此受到嚴(yán)格控制，這些研究人員通過修改一個對細(xì)胞分裂至關(guān)重要的基因來阻止酵母細(xì)胞發(fā)生分裂，這樣就能夠在某種溫度下關(guān)閉它。這些細(xì)胞繼續(xù)生長，但是它們不能分裂，而且它們也沒有復(fù)制它們的DNA。

這些研究人員發(fā)現(xiàn)隨著細(xì)胞大小的增加，它們的DNA及其蛋白制造工廠無法滿足如此大的細(xì)胞的需求。無法產(chǎn)生足夠的蛋白導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)受到稀釋和細(xì)胞分裂受到破壞。他們認(rèn)為當(dāng)細(xì)胞過大時，依賴于細(xì)胞分子彼此間相互作用的許多其他基本細(xì)胞過程也可能受損。

論文**作者、麻省理工學(xué)院博士后研究員Gabriel Neurohr說道，“理論模型預(yù)測對細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行稀釋將會降低反應(yīng)速度。每種化學(xué)反應(yīng)都會發(fā)生得更慢，某些蛋白的某些閾值濃度可能無法達(dá)到，因此某些反應(yīng)永遠(yuǎn)不會發(fā)生，這是因為蛋白的濃度比較低?！?/span>

這些研究人員證實具有兩組染色體的酵母細(xì)胞的大小在它們變得衰老之前是僅具有一組染色體的酵母細(xì)胞的兩倍，這表明這些細(xì)胞中的DNA數(shù)量是細(xì)胞生長能力的一個限制因素。

利用人體細(xì)胞開展的實驗產(chǎn)生了類似的結(jié)果：在針對人成纖維細(xì)胞的研究中，這些研究人員發(fā)現(xiàn)迫使這些細(xì)胞生長到過大的尺寸（正常大小的8倍）會破壞許多功能，包括細(xì)胞分裂。

與年齡有關(guān)的疾病

Amon說，過度生長可能在衰老的出現(xiàn)中起著主要作用，其中衰老發(fā)生在許多類型的哺乳動物細(xì)胞中，并且被認(rèn)為導(dǎo)致與年齡相關(guān)的器官功能障礙和慢性年齡相關(guān)疾病。

衰老細(xì)胞通常比年輕細(xì)胞更大，這項新的研究發(fā)現(xiàn)不經(jīng)控制的細(xì)胞生長導(dǎo)致衰老，從而為這一觀察提供了一種可能的解釋。人細(xì)胞在它們的一生當(dāng)中往往會略微變大，這是因為細(xì)胞每分裂一次，它都會檢查DNA損傷：如果發(fā)現(xiàn)任何DNA損傷，那么它在進(jìn)行修復(fù)時停止分裂。在每次延遲期間，細(xì)胞都會略微變大。

Amon說，“在細(xì)胞的整個生命周期中，發(fā)生的分裂次數(shù)越多，遭受這種損傷的可能性就越高，而且隨著時間的推移，細(xì)胞會變得越來越大。最終它們變得如此之大，以至于它們開始稀釋對細(xì)胞增殖很重要的關(guān)鍵因子?！?/span>

一個尚未解決的難題是不同類型的細(xì)胞如何保持其細(xì)胞類型的適當(dāng)大小。針對這一點(diǎn)，這些研究人員如今希望開展進(jìn)一步研究。