撰文丨十一月

圖片引自Cell

不同種類的細(xì)胞大小各不相同的。在不同的生長(zhǎng)條件下，為了維持正常的細(xì)胞功能，細(xì)胞的大小會(huì)保持在一個(gè)確定的范圍。細(xì)胞維持特定的大小對(duì)于細(xì)胞正常的功能是非常重要的。細(xì)胞大小發(fā)生改變通常出現(xiàn)在一些病理情況中，比如在癌癥中，腫瘤細(xì)胞通常都會(huì)變得比較小或者是大小不均【1】；而在人細(xì)胞系以及出芽酵母中細(xì)胞衰老則通常伴隨著細(xì)胞尺寸的明顯變大【2】。但是細(xì)胞尺寸的精密調(diào)控的重要意義目前還不得而知。

關(guān)于細(xì)胞維持自身大小的重要意義，來(lái)自MIT的Angelika Amon研究組近日為我們帶來(lái)了一個(gè)新穎的思考角度，即細(xì)胞過(guò)度生長(zhǎng)會(huì)稀釋細(xì)胞質(zhì)，由此引起細(xì)胞功能與增殖能力下降，RNA與蛋白質(zhì)濃度降低，進(jìn)而引發(fā)衰老。該研究以長(zhǎng)文形式發(fā)表在Cell上，題為'Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm Dilution And Contributes to Senescence'【3】。

Amon研究組首先建立了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用在細(xì)胞周期阻滯的情況下，細(xì)胞大小持續(xù)增加但是DNA的總量不改變，同時(shí)對(duì)溫度敏感的酵母cdc28突變株作為模型，在限制性溫度下誘導(dǎo)6小時(shí)以后，cdc28突變型酵母的體積增加約十倍之多（圖 1）。此突變株體積的巨大變化范圍為研究細(xì)胞大小改變與細(xì)胞生理功能之間的關(guān)系提供了極好的工具。

圖 1 酵母cdc28突變株限制性溫度誘導(dǎo)后，細(xì)胞大小增加約十倍。

細(xì)胞大小增加對(duì)于細(xì)胞的功能有什么影響呢？Amon研究組發(fā)現(xiàn)，酵母cdc28突變株在高溫下被阻滯在G1期，細(xì)胞逐漸增大，再次恢復(fù)到適宜生長(zhǎng)的溫度后增殖的速度變慢。通過(guò)對(duì)于出芽形成，DNA復(fù)制速度以及G1期的細(xì)胞周期蛋白的表達(dá)量的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在cdc28突變株高溫誘導(dǎo)的情況下，細(xì)胞周期所有階段的進(jìn)展均變慢。 那么是什么造成了細(xì)胞在有絲分裂期進(jìn)展的缺陷？研究者認(rèn)為可能是由于DNA復(fù)制或者是染色體附著在紡錘體上的能力出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致了DNA損傷的激活與紡錘體組裝檢驗(yàn)點(diǎn)（Spindle Assembly Checkpoints , SAC）的激活。為了證明該觀點(diǎn)并對(duì)超大細(xì)胞的功能缺陷進(jìn)行解釋，研究者對(duì)影響DNA損傷基因或者SAC的基因進(jìn)行敲除，發(fā)現(xiàn)均能對(duì)超大細(xì)胞的功能缺陷部分抑制。由此說(shuō)明細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)的激活對(duì)于超大細(xì)胞細(xì)胞周期延遲具有一定的影響。除此之外，由于在超大細(xì)胞中所有細(xì)胞周期均被延遲，研究者對(duì)超大細(xì)胞中細(xì)胞周期調(diào)控蛋白進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的誘導(dǎo)速度較正常的細(xì)胞變慢。

細(xì)胞變大的影響是方方面面的。因此研究者想要進(jìn)一步確認(rèn)細(xì)胞變大之后生物大分子的合成是否受到影響。通過(guò)對(duì)誘導(dǎo)時(shí)間不同而大小不同的cdc28突變株的細(xì)胞中RNA以及蛋白質(zhì)合成速率測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，隨著細(xì)胞逐漸變大超過(guò)一定體積后，細(xì)胞內(nèi)的RNA與蛋白質(zhì)被稀釋，大分子合成與細(xì)胞大小增長(zhǎng)速度不成比例。除此之外，超大細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄與翻譯速度均慢于細(xì)胞增長(zhǎng)的速度。

對(duì)于酵母細(xì)胞來(lái)說(shuō)，細(xì)胞被阻滯在一定時(shí)期超過(guò)三個(gè)小時(shí)會(huì)引起應(yīng)激響應(yīng)被稱為環(huán)境應(yīng)激反應(yīng)（Environmental Stress Response, ESR）。ESR會(huì)在應(yīng)對(duì)不同的環(huán)境脅迫的時(shí)候被誘導(dǎo)出來(lái)，ESR通常會(huì)引起核糖體合成基因的抑制。研究者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)在超大細(xì)胞中核糖體合成的基因被抑制，并且發(fā)現(xiàn)此種抑制是因?yàn)榧?xì)胞變大而非因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)條件的變化。

那么超大細(xì)胞中是什么因素造成了細(xì)胞對(duì)于ESR的響應(yīng)和其他表型呢？在超大細(xì)胞中，沒(méi)有隨著細(xì)胞體積變化的有DNA，那么DNA的含量是否是造成超大細(xì)胞功能缺陷的限制性因素呢？通過(guò)增加細(xì)胞中的染色體倍性，作者發(fā)現(xiàn)，二倍體的超大細(xì)胞相較于單倍體細(xì)胞來(lái)說(shuō)細(xì)胞周期進(jìn)展速度變快。DNA含量增加一定程度上挽救了超大細(xì)胞功能缺陷的表型。由此作者確認(rèn)，DNA:細(xì)胞質(zhì)的比例需要保持在一定的范圍內(nèi)，只有這樣RNA與蛋白質(zhì)的生物合成才能夠滿足動(dòng)態(tài)基因表達(dá)、細(xì)胞增殖與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

除了細(xì)胞周期阻滯可使細(xì)胞體積變大，是否還有其他情況能夠引起細(xì)胞體積的異常增大？這些情況是否有什么內(nèi)在的相關(guān)性？根據(jù)已有的研究作者發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞衰老會(huì)逐漸引起細(xì)胞體積增大。對(duì)衰老細(xì)胞進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，衰老細(xì)胞與超大細(xì)胞的表型相似，細(xì)胞中的RNA與蛋白質(zhì)也被稀釋，轉(zhuǎn)錄和翻譯的速度受到影響。并且發(fā)現(xiàn)超大細(xì)胞的壽命不足正常細(xì)胞的1/3。細(xì)胞體積增大是復(fù)制性衰老的保守性的特征之一。為了研究細(xì)胞質(zhì)在超大細(xì)胞中稀釋這一表型在人類中是否也會(huì)引起衰老，作者選用能夠被阻滯在G1期的原代人類細(xì)胞系進(jìn)行研究，在藥物誘導(dǎo)后該品系人類細(xì)胞體積明顯增大（圖 2），細(xì)胞增大后細(xì)胞增殖能力下降，細(xì)胞中RNA與蛋白質(zhì)合成水平降低。細(xì)胞體積變大以及DNA：細(xì)胞質(zhì)比例變低造成的細(xì)胞生理改變以及細(xì)胞周期阻滯伴隨細(xì)胞衰老。

圖2 人類原代成纖維細(xì)胞（IMR90）。DNA損傷藥物處理后引發(fā)細(xì)胞體積明顯增大。

在酵母中，很多因素比如多余的核糖體環(huán)狀DNA積累、液泡pH改變、有害蛋白累積以及蛋白質(zhì)錯(cuò)誤聚集都會(huì)引起衰老細(xì)胞，功能減退。而作者的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞體積增加可能是另外一個(gè)引發(fā)細(xì)胞衰老的因素。細(xì)胞體積增加后細(xì)胞壽命降低。總而言之，細(xì)胞維持特定的DNA：細(xì)胞質(zhì)比例對(duì)于維持正常的細(xì)胞功能非常關(guān)鍵。

原文鏈接：

https://www./science/article/pii/S0092867419300510

制版人：珂

1. Ginzberg, M.B., Kafri, R., and Kirschner, M. (2015). Cell biology. On being theright (cell) size. Science 348, 1245075–1245075.

2. Hayflick, L., and Moorhead, P.S. (1961). The serial cultivation of human diploidcell strains. Experimental Cell Research 25, 585–621.

3. Gabriel E. Neurohr, Rachel L. Terry,Jette Lengefeld, ..., Folkert J. van Werven,Liam J. Holt, Angelika Amon. (2019). Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm DilutionAnd Contributes to Senescence. Cell. l 176, 1–15