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圖片來源：Pixabay

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撰文 | Erika K. Carlson?

翻譯| 王麟濤

審校| 戴晨

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在生物體內(nèi)，單個(gè)細(xì)胞必須通過成長與分裂，才能產(chǎn)生新細(xì)胞。但是，細(xì)胞是如何感知到它們的體積已經(jīng)大到可以一分為二呢？一項(xiàng)由斯坦福大學(xué)Jan Skotheim領(lǐng)導(dǎo)的研究表明，細(xì)胞似乎能感應(yīng)體內(nèi)一些特定的蛋白質(zhì)被充分稀釋。

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僅數(shù)年前，科學(xué)家才首次提出來細(xì)胞可能通過感知蛋白質(zhì)的稀釋，控制細(xì)胞大小的觀點(diǎn)。隨后，他們繼續(xù)探索了這個(gè)生理過程中新的難題。最近，Skotheim和同事Evgeny Zatulovskiy在《遺傳學(xué)進(jìn)展》（Trends in Genetics）上發(fā)表了一份綜述，描述了目前已經(jīng)研究清楚的、有關(guān)動(dòng)物細(xì)胞控制自身大小的問題。通過近期的實(shí)驗(yàn)，Skotheim的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)解決了細(xì)胞如何控制大小的一部分新難題。

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Skotheim說：“理解細(xì)胞是如何控制自身大小，是細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)?！奔?xì)胞大小決定了其中細(xì)胞器的大小，這也影響了細(xì)胞如何產(chǎn)生蛋白質(zhì)，以及其他具有關(guān)鍵功能的分子。但是，科學(xué)家并不了解細(xì)胞如何生長并分裂將產(chǎn)生的“正常大小”的同類細(xì)胞。例如，人類典型的紅細(xì)胞是直徑為幾微米的碟形細(xì)胞，但是骨骼肌細(xì)胞是細(xì)長結(jié)構(gòu)，長度可以達(dá)到幾厘米。

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正在生長與分裂的酵母菌細(xì)胞。控制細(xì)胞分裂的機(jī)制與一種特定蛋白的濃度密切相關(guān)（明亮區(qū)域）。

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在作為博士后研究員時(shí)，Skotheim看到細(xì)胞生長與分裂的延時(shí)視頻，并第一次被有關(guān)細(xì)胞大小的難題所吸引。從那以后，研究物理與應(yīng)用數(shù)學(xué)的Skotheim將研究方向轉(zhuǎn)到了生物學(xué)領(lǐng)域。由于之前接受的研究訓(xùn)練，他特別熱衷于研究細(xì)胞如何感知自身的物理特性，并采取相應(yīng)的行動(dòng)。令他困惑的是：“細(xì)胞甚至說微生物是通過什么機(jī)制來測量其大小？如何將細(xì)胞大小轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)，以及觸發(fā)細(xì)胞分裂？”

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2008年在Skotheim擁有自己的實(shí)驗(yàn)室后不久，他開始尋找控制細(xì)胞大小的分子機(jī)制。那時(shí)，研究人員普遍推測：隨著細(xì)胞生長，它們能產(chǎn)生特定蛋白質(zhì)的數(shù)量會(huì)增多。但是，和Skotheim一起工作的博士后Kurt Schmoller，認(rèn)為細(xì)胞大小可能與其體中一種蛋白質(zhì)的稀釋相關(guān)。如果一個(gè)細(xì)胞產(chǎn)生的某種蛋白質(zhì)具有固定的數(shù)量，隨著細(xì)胞變大，蛋白質(zhì)將會(huì)被稀釋，細(xì)胞也能因此知道需要分裂的時(shí)間。

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Schmoller、Skotheim和其他人通過延時(shí)技術(shù)測量了，在生長與分裂時(shí)期細(xì)胞質(zhì)中多種蛋白質(zhì)的濃度。很快在2015年，他們發(fā)現(xiàn)一種Whi5蛋白，能防止酵母菌細(xì)胞分裂。隨著細(xì)胞生長，酵母菌會(huì)持續(xù)不斷的產(chǎn)生其他蛋白質(zhì)，但只生產(chǎn)一定量的Whi5蛋白，這也意味著這種蛋白會(huì)被稀釋。當(dāng)Whi5蛋白稀釋到一個(gè)特定值時(shí)，細(xì)胞也會(huì)隨之分裂。后來，Skotheim合作的另一位博士后Zatulovskiy在人類細(xì)胞中，也發(fā)現(xiàn)相似的機(jī)制。具有腫瘤抑制作用的Rb蛋白也會(huì)隨細(xì)胞生長而稀釋，具有類似Whi5蛋白控制細(xì)胞分裂的作用。

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現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)將細(xì)胞大小與蛋白質(zhì)的稀釋程度相關(guān)聯(lián)，他們希望對控制這些蛋白合成的分子機(jī)制具有更詳細(xì)的了解。例如，Skotheim的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，Whi5蛋白的形成過程獨(dú)立于細(xì)胞的大小，酵母菌細(xì)胞中總是產(chǎn)生相同數(shù)量的該蛋白。

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Skotheim表示，擁有物理背景的研究人員能給生物學(xué)研究，帶來不同的研究角度與互補(bǔ)性的思考方式。當(dāng)遺傳學(xué)家和微生物學(xué)家努力識(shí)別細(xì)胞的新組分，并理解細(xì)胞的整體復(fù)雜性時(shí)，物理學(xué)家更感興趣于尋找簡單的概念，類似于特定蛋白的稀釋，能構(gòu)成細(xì)胞行為的基礎(chǔ)。Skotheim說：“物理學(xué)家想將研究結(jié)果，歸結(jié)為一個(gè)能盡可能解釋更多現(xiàn)象的概念?！?/p>

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原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/35

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