2021年6月20日訊/生物谷BIOON/---自從350多年前科學家們在顯微鏡下發現細胞以來，他們已經注意到每種類型的細胞都有一個特有的尺寸。從微小的**到幾英寸長的神經元，尺寸對細胞的工作方式很重要。然而，這些生命的組成部分如何調節自身大小的問題仍然是一個謎。
如今，我們對這個長期存在的生物學問題有了新的解釋。在一項專注于植物生長錐（growing tip）的研究中，來自英國和西班牙的研究人員發現，細胞使用它們的DNA含量作為一個內部標尺來評估和調整它們的大小。相關研究結果發表在2021年6月11日的Science期刊上，論文標題為“Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale”。
論文通訊作者、英國約翰內斯中心的小組負責人Robert Sablowski教授說，“很長時間以來，人們一直認為DNA可以作為細胞大小的標尺，但不清楚細胞如何讀取這種標尺并使用這種信息。關鍵是利用DNA作為模板來積累合適數量的蛋白質，然后在細胞分裂前需要稀釋蛋白的數量。為一個長期存在的問題找到如此簡單的解決方案是令人興奮的?！?
細胞的平均大小是由細胞生長多少和細胞分裂頻率之間的平衡決定的。長期以來，人們都很清楚，細胞在分裂前會生長到一定的大小。但是，一個細胞怎么能知道它已經生長了多少？
研究這個問題的一個好地方是莖尖分生組織，即植物的生長錐，它提供新的細胞來制造葉子、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平等的，產生不同大小的細胞。隨著時間的推移，這些差異會逐漸積累，但分生組織細胞在很長一段時間內保持在一個狹窄的大小范圍內。
在這項新的研究中，這些作者仔細跟蹤了分生組織細胞在一段時間內的生長和分裂。他們發現，雖然細胞可以以不同的大小開始它們的生命，但當它們準備好復制它們的DNA時（細胞分裂之前的一個必要步驟，因為每個新細胞都需要自己的DNA拷貝），細胞大小的大部分初始變化都已得到校正。
他們隨后監測了一種名為KRP4的蛋白質，其作用是延遲DNA復制的開始，并發現無論初始大小如何，細胞出生時總是帶有相同數量的KRP4。這意味著，當一個細胞出生時太小，它就會接收到較高濃度的KRP4，從而延遲其DNA復制的進程，使它有時間趕上其他細胞的相同大小。相反，如果一個細胞出生時太大，KRP4就會被稀釋，這樣它就能迅速進入下一個階段，而不會進一步生長。隨著時間的推移，這使分生組織細胞保持在一個狹窄的大小范圍內。
但是，是什么確保了細胞一開始就有相同數量的KRP4呢？事實證明，當細胞分裂時，KRP4 “搭乘”DNA，DNA以相同的拷貝傳遞給每個新生細胞。這樣一來，KRP4的初始數量就與細胞的DNA含量成正比。為了確保KRP4在母細胞中的積累與DNA含量成比例，任何未與DNA結合的多余KRP4在細胞分裂前被另一種稱為FBL17的蛋白質破壞。數學模型和使用具有不同數量的這些遺傳成分的基因編輯突變體證實了這一機制。
Sablowski教授解釋了這一過程，“我們必須解決的一個謎題是，當細胞的大多數成分在數量和大小上一起增加時，細胞如何能夠知道它生長了多少，因此它們不能被用作測量細胞大小的固定標尺。一個例外是DNA，它以離散的數量存在于細胞中---它的數量在細胞分裂前正好翻倍，但它不隨細胞的生長而變化。”
未來的實驗將試圖解釋調節蛋白KRP4是如何在細胞分裂過程中與染色體結合，然后解離的。這些作者還想了解該機制是否在不同的細胞類型中受到調節以產生不同的平均大小。
這些發現可能解釋了基因組大小和細胞大小之間的關系---擁有較大基因組的物種，在其細胞中擁有大量的DNA，往往擁有更大的細胞。這對農作物尤其重要，許多農作物經篩選后含有其野生祖先中的多個基因組拷貝，從而導致細胞變大，并且通常有較大的果實和種子。
包括KRP4在內的遺傳機制的成分存在于許多有機體中，已經有人提出，這些成分在調節人類細胞的細胞大小方面很重要。因此，這項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具有意義。（生物谷 Bioon.com）
