Science：揭示细胞利用它的DNA含量控制自身的大小

2021年6月20日讯/生物谷BIOON/---自从350多年前科学家们在显微镜下发现细胞以来，他们已经注意到每种类型的细胞都有一个特有的尺寸。从微小的细菌到几英寸长的神经元，尺寸对细胞的工作方式很重要。然而，这些生命的组成部分如何调节自身大小的问题仍然是一个谜。

如今，我们对这个长期存在的生物学问题有了新的解释。在一项专注于植物生长锥（growing tip）的研究中，来自英国和西班牙的研究人员发现，细胞使用它们的DNA含量作为一个内部标尺来评估和调整它们的大小。相关研究结果发表在2021年6月11日的Science期刊上，论文标题为“Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale”。

论文通讯作者、英国约翰内斯中心的小组负责人Robert Sablowski教授说，“很长时间以来，人们一直认为DNA可以作为细胞大小的标尺，但不清楚细胞如何读取这种标尺并使用这种信息。关键是利用DNA作为模板来积累合适数量的蛋白质，然后在细胞分裂前需要稀释蛋白的数量。为一个长期存在的问题找到如此简单的解决方案是令人兴奋的。”

细胞的平均大小是由细胞生长多少和细胞分裂频率之间的平衡决定的。长期以来，人们都很清楚，细胞在分裂前会生长到一定的大小。但是，一个细胞怎么能知道它已经生长了多少？

研究这个问题的一个好地方是茎尖分生组织，即植物的生长锥，它提供新的细胞来制造叶子、花和茎。分生组织细胞不断生长和分裂。它们的分裂往往是不平等的，产生不同大小的细胞。随着时间的推移，这些差异会逐渐积累，但分生组织细胞在很长一段时间内保持在一个狭窄的大小范围内。

在这项新的研究中，这些作者仔细跟踪了分生组织细胞在一段时间内的生长和分裂。他们发现，虽然细胞可以以不同的大小开始它们的生命，但当它们准备好复制它们的DNA时（细胞分裂之前的一个必要步骤，因为每个新细胞都需要自己的DNA拷贝），细胞大小的大部分初始变化都已得到校正。

图片显示茎尖分生组织(在中间)，花蕾在它的侧翼出现。绿色标记的细胞即将进入DNA复制，而洋红色标记表示KRP4的积累，KRP4是调节细胞大小的机制的一部分。图片来自John Innes Centre。

他们随后监测了一种名为KRP4的蛋白质，其作用是延迟DNA复制的开始，并发现无论初始大小如何，细胞出生时总是带有相同数量的KRP4。这意味着，当一个细胞出生时太小，它就会接收到较高浓度的KRP4，从而延迟其DNA复制的进程，使它有时间赶上其他细胞的相同大小。相反，如果一个细胞出生时太大，KRP4就会被稀释，这样它就能迅速进入下一个阶段，而不会进一步生长。随着时间的推移，这使分生组织细胞保持在一个狭窄的大小范围内。

但是，是什么确保了细胞一开始就有相同数量的KRP4呢？事实证明，当细胞分裂时，KRP4 “搭乘”DNA，DNA以相同的拷贝传递给每个新生细胞。这样一来，KRP4的初始数量就与细胞的DNA含量成正比。为了确保KRP4在母细胞中的积累与DNA含量成比例，任何未与DNA结合的多余KRP4在细胞分裂前被另一种称为FBL17的蛋白质破坏。数学模型和使用具有不同数量的这些遗传成分的基因编辑突变体证实了这一机制。

Sablowski教授解释了这一过程，“我们必须解决的一个谜题是，当细胞的大多数成分在数量和大小上一起增加时，细胞如何能够知道它生长了多少，因此它们不能被用作测量细胞大小的固定标尺。一个例外是DNA，它以离散的数量存在于细胞中---它的数量在细胞分裂前正好翻倍，但它不随细胞的生长而变化。”

未来的实验将试图解释调节蛋白KRP4是如何在细胞分裂过程中与染色体结合，然后解离的。这些作者还想了解该机制是否在不同的细胞类型中受到调节以产生不同的平均大小。

这些发现可能解释了基因组大小和细胞大小之间的关系---拥有较大基因组的物种，在其细胞中拥有大量的DNA，往往拥有更大的细胞。这对农作物尤其重要，许多农作物经筛选后含有其野生祖先中的多个基因组拷贝，从而导致细胞变大，并且通常有较大的果实和种子。

包括KRP4在内的遗传机制的成分存在于许多有机体中，已经有人提出，这些成分在调节人类细胞的细胞大小方面很重要。因此，这项研究中揭示的机制可能也与整个生物学王国相关，对动物和人类细胞生物学具有意义。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Marco D’Ario et al. Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale. Science, 2021, doi:10.1126/science.abb4348.