解決一個長期存在的生物學謎團：細胞如何自我測量
說明： 圖像顯示了一個頂端分生組織（在中心），其側面出現了花蕾。綠色標記的細胞即將進入 DNA 復制，而洋紅色標記顯示 KRP4 的積累，這是調節細胞大小機制的一部分。來源：約翰英尼斯中心
自從 350 多年前科學家在顯微鏡下發現細胞以來，他們就注意到每種類型的細胞都有其特征大小。從微小的細菌到幾英寸長的神經元，大小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。
現在我們對這個長期存在的生物學問題有了一個解釋。在一項針對植物生長尖端的研究中，研究人員表明，細胞使用其DNA含量作為內部指標來評估和調整其大小。
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John Innes 中心的小組組長、該研究的通訊作者 Robert Sablowski 教授說：“長期以來，人們一直認為 DNA 可以作為細胞大小的尺度，但尚不清楚細胞如何讀取縮放和使用信息。關鍵是使用 DNA 作為模板來積累適量的蛋白質，然后需要在細胞分裂之前對其進行稀釋。能夠為一個長期存在的問題找到如此簡單的解決方案令人興奮?！?/p>
A平均細胞大小取決于細胞生長量和分裂頻率之間的平衡。很早以前就很清楚，細胞在分裂之前會長到一定大小。但是一個細胞怎么知道它已經長大了多少呢？
研究這個問題的一個好地方是芽分生組織，即植物的生長尖端，它提供新的細胞來制造葉子、花朵和莖。分生組織細胞不斷生長和分裂。它們的分裂通常不相等，產生不同大小的細胞。隨著時間的推移，這些差異應該會增加，但分生組織細胞會在很長一段時間內保持在一個狹窄的大小范圍內。
在這項發表在《 科學》雜志上的研究中，約翰英尼斯中心的研究人員仔細跟蹤了分生組織細胞隨時間的生長和分裂。他們發現，雖然細胞的生命開始時大小不一，但當細胞準備好復制其 DNA 時（細胞分裂前的必要步驟，因為每個新細胞都需要自己的 DNA 副本），大部分初始變異單元格大小已更正。
然后，他們監測了一種名為 KRP4 的蛋白質，它的作用是延遲 DNA 復制的開始，并發現無論它們的初始大小如何，細胞出生時總是含有相同數量的 KRP4。這意味著當一個細胞出生時太小，它會接收到更高濃度的 KRP4，這會延遲其向 DNA 復制的進程，從而使細胞有時間趕上其他細胞的大小。相反，如果一個細胞出生時太大，KRP4 會被稀釋，因此它可以快速進入下一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。
但是是什么確保細胞以相同數量的 KRP4 開始呢？事實證明，當細胞分裂時，KRP4 會“搭便車”DNA，DNA 以相同的副本提供給每個新生細胞。通過這種方式，KRP4 的初始量與細胞的 DNA 含量成正比。為確保 KRP4 在母細胞中的積累與 DNA 含量成正比，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這些遺傳成分的基因編輯突變體證實了這一機制。
做了一個電鍍銅薄膜（10u左右）的金相，50nm氧化鋁拋光，過硫酸銨腐蝕（時間從3s-5min不等），曾用SEM看到過2u左右的結構，像晶粒但不確信（圖一）。
Robert Sablowski 教授解釋了這一過程，“我們必須解決的一個謎是，當細胞的大部分成分在數量和大小上同時增加時，細胞如何知道它已經增長了多少，因此它們不能用作固定的尺子測量尺寸。一個例外是 DNA 以離散量存在于細胞中——它的數量在細胞分裂前精確地翻了一番，但它不隨細胞生長而變化?！?/p>
未來的實驗將試圖準確解釋調節蛋白 KRP4 如何結合，然后在細胞分裂過程中與染色體分離。研究人員還想了解該機制是否在不同的細胞類型中被調節以產生不同的平均大小。
這些發現可以解釋基因組大小和細胞大小之間的關系——具有大基因組的物種，因此它們的細胞中有很多 DNA，往往有更大的細胞。這在農作物中尤為重要，其中許多已被選擇包含存在于其野生祖先中的基因組的多個拷貝，從而導致更大的細胞以及通常更大的果實和種子。
包括 KRP4 在內的遺傳機制的成分存在于許多生物體中，并且有人認為這些成分對于調節人類細胞中的細胞大小很重要。因此，研究中發現的機制也可能與生物王國有關，對動物和人類細胞生物學有影響。