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为什么细胞有大有小

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图为顶端分生组织(中央),侧面是正在形成的花蕾。绿色标记的细胞即将进入DNA复制阶段,洋红色标记表明KRP4蛋白正在积累,这是调控细胞大小机制的一部分。图片来源:JohnInnesCentre

自多年前科学家们在显微镜下发现细胞以来,他们就注意到每一种细胞都有其特定的大小。从微小的细菌到几英寸长的神经元,大小深刻影响着细胞的工作方式。然而,这些生命的组成元件如何调节自身大小仍然是一个谜。

现在我们对这个长期存在的生物学问题提出一个解释。在一项针对不断生长的植物顶端的研究中,研究人员发现,细胞能够利用所含的DNA作为内部参照物,来评估和调整自身的大小。

本研究的通讯作者、英国约翰·英尼斯中心(JohnInnesCentre)一个研究小组的组长RobertSablowski说:“很久以前就有人提出,DNA可以用于评估细胞大小,但当时还不清楚细胞如何利用这把标尺。其中关键的是细胞会用DNA作为模板来积累适量的蛋白质,然后在细胞分裂前将其稀释。能找到一个如此简单的方法来解决这个长期存在的问题,这真是令人兴奋。”

图片来源:pixabay

细胞大小是由细胞生长和分裂频率的平衡决定的。人们早就知道,细胞在分裂前会长到一定大小。但是,细胞如何知道它生长了多少呢?

茎的分生组织是研究这个问题的一个有利材料,这是植物生长的顶端,它会分裂出新的细胞来产生叶子、花和茎。分生组织细胞不断生长和分裂。它们的分裂往往是不均等的,会产生不同大小的细胞。随着时间的推移,这些差异会逐渐增加,但分生组织细胞的大小在长时间内处在一个较为精密的范围。

在这项发表在《科学》(Science)杂志上的研究中,约翰·英尼斯中心的研究人员仔细跟踪了分生组织细胞的生长和分裂。他们发现,尽管细胞具有不同的大小,但是当细胞准备复制DNA(这是细胞分裂前的必要步骤,每个新细胞都需要一份DNA的副本)时,细胞大小的初始差异大部分都已经得到了修正。

然后,他们监测了一种名为KRP4的蛋白质,它的作用是延迟DNA复制的开始。研究发现,无论它们最初的大小如何,细胞总是含有相同总量的KRP4。这意味着当一个细胞形成时太小,它就会获得更高浓度的KRP4,这就延缓了它的DNA复制进程,让细胞有时间生长,使得其大小能赶上其他细胞。相反,如果一个细胞形成时太大,KRP4就会被稀释,使得细胞可以快速进入下一个阶段,而不会进一步生长。随着时间的推移,这种机制使分生组织细胞保持在一个较为统一的大小范围内。

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但是,是什么保证细胞一开始就有相同总量的KRP4呢?事实证明,当细胞分裂时,KRP4会搭上DNA的“顺风车”,DNA以相同的拷贝数传递给每个新生细胞。这样,KRP4的初始量就与细胞的DNA含量成正比。为了确保KRP4在母细胞中按照DNA含量的比例积累,任何未与DNA结合的多余KRP4都会在细胞分裂前被另一种名为FBL17的蛋白质破坏。利用数学模型和基因编辑产生的、具有不同遗传组分的突变体都证实了这一机制。

RobertSablowski教授解释了这一过程:“我们必须解决的一个谜题是,当细胞的大部分成分在数量和大小上同时增加时,细胞如何知道它增长了多少。一个例外是DNA,它以离散的数量存在于细胞中——它的数量在细胞分裂前精确地翻倍,但它不随细胞生长而变化。”

接下来的实验将试图解释蛋白KRP4的调控机制,以及它们如何在细胞分裂过程中与染色体分离。研究人员还想了解这种机制是否受不同细胞类型的调节,从而产生不同的平均细胞大小。

这些发现可能解释了基因组大小和细胞大小之间的关系——基因组较大的物种的细胞中有很多DNA,它们的细胞往往更大。这在作物中尤为重要,许多含有多个野生祖先基因组拷贝的作物通常会被挑选出来,它们能产生更大的细胞,其果实和种子通常也更大。

包括KRP4在内的遗传机制组成元件存在于许多生物体中,已经有人提出,这些组成部分在调节人类细胞的细胞大小方面很重要。因此,本研究中揭示的机制可能也与整个生物学王国相关,对动物和人类细胞生物学也具有启示意义。

翻译:一晴

审校:戚译引

引进来源:JohnInnesCentre

本文来自:中国数字科技馆



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