自從350多年前科學(xué)家在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)細(xì)胞以來，他們就注意到每一種細(xì)胞都有其特有的大小。從微小的細(xì)菌到幾英寸長的神經(jīng)元，大小決定著細(xì)胞的工作方式。然而，這些生命的組成部分如何調(diào)節(jié)自身大小的問題仍然是一個(gè)謎。

現(xiàn)在我們對這個(gè)長期存在的生物學(xué)問題有了一個(gè)解釋。在一項(xiàng)針對植物生長頂端的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞使用它們的DNA含量作為內(nèi)部測量器來評估和調(diào)整它們的大小。

教授羅伯特?Sablowski約翰英納斯中心的組長和相應(yīng)的研究的作者說:“有人建議在很長一段時(shí)間內(nèi)DNA可以用作細(xì)胞大小規(guī)模,但還不清楚細(xì)胞如何閱讀的規(guī)模和使用這些信息。關(guān)鍵是用DNA作為模板來積累適量的蛋白質(zhì)，然后在細(xì)胞分裂前將其稀釋。能找到如此簡單的方法來解決這個(gè)長期存在的問題真是令人興奮?！?/p>

平均細(xì)胞大小是由細(xì)胞生長和分裂的頻率之間的平衡決定的。人們早就知道，細(xì)胞在分裂前會(huì)長到一定大小。但是細(xì)胞如何知道它生長了多少呢?

研究這個(gè)問題的一個(gè)好地方是莖分生組織，即植物生長的頂端，它提供新的細(xì)胞來制造葉子、花和莖。分生組織細(xì)胞不斷生長和分裂。它們的分裂往往不相等，產(chǎn)生不同大小的細(xì)胞。隨著時(shí)間的推移，這些差異會(huì)逐漸增加，但分生組織細(xì)胞在很長一段時(shí)間內(nèi)保持在一個(gè)狹窄的大小范圍內(nèi)。

在這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究中，約翰英尼斯中心的研究人員仔細(xì)跟蹤了分生組織細(xì)胞的生長和分裂。他們發(fā)現(xiàn),盡管細(xì)胞可以開始他們的生活與變量大小,當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備復(fù)制DNA(細(xì)胞分裂前的必要步驟,每個(gè)新細(xì)胞需要自己的DNA的復(fù)制),大部分的初始變化在細(xì)胞大小已糾正。

然后，他們監(jiān)測了一種名為KRP4的蛋白質(zhì)，它的作用是延遲DNA復(fù)制的開始，并發(fā)現(xiàn)，無論它們最初的大小，細(xì)胞出生時(shí)總是有相同數(shù)量的KRP4。這意味著當(dāng)一個(gè)細(xì)胞出生時(shí)太小，它就會(huì)接收到更高濃度的KRP4，這就延緩了它向DNA復(fù)制的進(jìn)程，讓細(xì)胞有時(shí)間趕上其他細(xì)胞的大小。相反，如果一個(gè)細(xì)胞出生時(shí)太大，KRP4就會(huì)被稀釋，這樣它就可以快速進(jìn)入下一個(gè)階段，而不會(huì)進(jìn)一步生長。隨著時(shí)間的推移，這使分生組織細(xì)胞保持在一個(gè)狹窄的大小范圍內(nèi)。

但是，是什么保證細(xì)胞一開始就有相同數(shù)量的KRP4呢?事實(shí)證明，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，KRP4會(huì)“搭乘”DNA的“順風(fēng)車”，DNA以相同的副本傳遞給每個(gè)新生細(xì)胞。這樣，KRP4的初始量就與細(xì)胞的DNA含量成正比。為了確保KRP4在母細(xì)胞中按照DNA含量的比例積累，任何未與DNA結(jié)合的多余KRP4都會(huì)在細(xì)胞分裂前被另一種名為FBL17的蛋白質(zhì)破壞。數(shù)學(xué)模型和使用基因編輯突變體與這些遺傳成分的不同數(shù)量證實(shí)了這一機(jī)制。

Robert Sablowski教授解釋了這一過程，“我們必須解決的一個(gè)謎題是，當(dāng)細(xì)胞的大部分成分在數(shù)量和大小上一起增加時(shí)，細(xì)胞如何知道它增長了多少，所以它們不能被用作測量大小的固定尺。一個(gè)例外是DNA，它以離散的數(shù)量存在于細(xì)胞中——它的數(shù)量在細(xì)胞分裂前精確地翻倍，但它不隨細(xì)胞生長而變化?！?/p>

未來的實(shí)驗(yàn)將試圖解釋調(diào)控蛋白KRP4是如何在細(xì)胞分裂過程中與染色體結(jié)合并分離的。研究人員還想了解這種機(jī)制是否受不同細(xì)胞類型的調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生不同的平均大小。

這些發(fā)現(xiàn)可能解釋了基因組大小和細(xì)胞大小之間的關(guān)系——基因組大的物種，因此細(xì)胞中有很多DNA，它們的細(xì)胞往往更大。這在作物中尤為重要，許多作物被選擇含有野生祖先基因組的多個(gè)副本，從而產(chǎn)生更大的細(xì)胞，果實(shí)和種子通常也更大。

包括KRP4在內(nèi)的遺傳機(jī)制的組成部分存在于許多生物體中，已經(jīng)有人提出，這些組成部分在調(diào)節(jié)人類細(xì)胞的細(xì)胞大小方面很重要。因此，研究中揭示的機(jī)制可能也與整個(gè)生物學(xué)王國相關(guān)，對動(dòng)物和人類細(xì)胞生物學(xué)具有意義。