研究揭秘細胞怎麼知道何時停止生長

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【大紀元2021年07月20日訊】(大紀元記者李少維編譯報導)植物生長的基本過程由不斷重復的細胞週期完成,包括DNA複製細胞分裂。科學家以前感到困惑的是,植物細胞剛分裂出來的子細胞大小並不對稱,之後會自動修正,細胞怎樣能知道自己該長多大?近期發表的一份研究第一次發現了細胞完成這個過程的秘密所在,對動物細胞研究和未來的農業都具有重要意義。

這項研究的負責人英國約翰英尼斯中心(John Innes Center)的生物學家薩布洛夫斯基(Robert Sablowski)說,多數細胞蛋白都是隨著細胞等比例地長大,所以難以想象細胞怎樣才能確定自己的大小。

他比喻這個過程就像人們用自己的手臂量自己的身高。「你辦不到,因為你的手臂的長度和你的身高是等比例生長。你得有一個外部的參照物才知道你的個頭。」

這份研究選擇擬南芥(Arabidopsis)進行研究。擬南芥其實是一種雜草,由於它培育容易、成熟快等特點而成為生物學家很喜愛的研究模型。加之多年來生物界積累了越來越多關於它的研究資料,這也讓後續的研究人員更偏好使用它。

薩布洛夫斯基和他的助手達里奧(Marco D’Ario)把擬南芥種在花盆里大約六周後,把它的芽尖部位切掉,放在放大倍數約為千倍的顯微鏡下,兩個人輪班連續觀察48小時,詳細記錄細胞生長的情況。

達里奧說,來自同行對擬南芥的研究很重要。「我們花了三四年的時間構建這個實驗,如果沒有同行之前的研究,可能需要10~15年的時間。」

根據採集的數據,通過複雜的數學算法分析後,研究者發現了一個奇妙的過程。原來植物細胞內的DNA起到「量杯」的作用,控制KRP4蛋白精確地分配給子細胞,再由KRP4蛋白的濃度控制細胞生長的大小。

研究發現,在DNA複製之前,KRP4蛋白自由地漂浮在細胞核內。可是當細胞開始分裂的時候,DNA控制獲取精確數量的KRP4蛋白附著到DNA上,並保證每個子細胞得到等量的KRP4蛋白。

「DNA起到量杯一樣的作用,」薩布洛夫斯基說,「從細胞內的池子里舀出固定量的KRP4蛋白。」池子里剩下的、沒用完的KRP4蛋白將在細胞分裂之前、被另一種蛋白清除。

接下來,新細胞在生長階段通過裡面KRP4蛋白的濃度感知自己應該長到多大。雖然每個子細胞得到等量的KRP4蛋白,可是由於前面提到的、剛分裂出來的子細胞大小並不一樣,這造成裡面KRP4蛋白的濃度也不一樣:小個的細胞裡面KRP4蛋白濃度高;大個的細胞裡面KRP4蛋白濃度低。

細胞內還有一個機制控制KRP4蛋白濃度需要達到的一個目標濃度才會停止生長。研究人員從顯微鏡下看到,具有高濃度KRP4蛋白的小個細胞,要多花一些時間成長,使得KRP4蛋白達到目標濃度;而大個的細胞內KRP4蛋白濃度低,生長的時間相對短就可以達到目標濃度。最後,植株內所有不同大小的細胞都將長成一樣的大小。

這份研究6月11日發表於《科學》(Science)期刊。◇

責任編輯:朱涵儒

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