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研究揭秘细胞怎么知道何时停止生长

植物生长的基本过程由不断重复的细胞周期完成,包括DNA复制、细胞分裂。科学家以前感到困惑的是,植物细胞刚分裂出来的子细胞大小并不对称,之后会自动修正,细胞怎样能知道自己该长多大?近期发表的一份研究第一次发现了细胞完成这个过程的秘密所在,对动物细胞研究和未来的农业都具有重要意义。

研究揭秘细胞怎么知道何时停止生长这项研究的负责人英国约翰英尼斯中心(John Innes Center)的生物学家萨布洛夫斯基(Robert Sablowski)说,多数细胞蛋白都是随着细胞等比例地长大,所以难以想象细胞怎样才能确定自己的大小。他比喻这个过程就像人们用自己的手臂量自己的身高。“你办不到,因为你的手臂的长度和你的身高是等比例生长。你得有一个外部的参照物才知道你的个头。”这份研究选择拟南芥(Arabidopsis)进行研究。拟南芥其实是一种杂草,由于它培育容易、成熟快等特点而成为生物学家很喜爱的研究模型。加之多年来生物界积累了越来越多关于它的研究资料,这也让后续的研究人员更偏好使用它。萨布洛夫斯基和他的助手达里奥(Marco D’Ario)把拟南芥种在花盆里大约六周后,把它的芽尖部位切掉,放在放大倍数约为千倍的显微镜下,两个人轮班连续观察48小时,详细记录细胞生长的情况。达里奥说,来自同行对拟南芥的研究很重要。“我们花了三四年的时间构建这个实验,如果没有同行之前的研究,可能需要10~15年的时间。”研究揭秘细胞怎么知道何时停止生长根据采集的数据,通过复杂的数学算法分析后,研究者发现了一个奇妙的过程。原来植物细胞内的DNA起到“量杯”的作用,控制KRP4蛋白精确地分配给子细胞,再由KRP4蛋白的浓度控制细胞生长的大小。研究发现,在DNA复制之前,KRP4蛋白自由地漂浮在细胞核内。可是当细胞开始分裂的时候,DNA控制获取精确数量的KRP4蛋白附着到DNA上,并保证每个子细胞得到等量的KRP4蛋白。“DNA起到量杯一样的作用,”萨布洛夫斯基说,“从细胞内的池子里舀出固定量的KRP4蛋白。”池子里剩下的、没用完的KRP4蛋白将在细胞分裂之前、被另一种蛋白清除。接下来,新细胞在生长阶段通过里面KRP4蛋白的浓度感知自己应该长到多大。虽然每个子细胞得到等量的KRP4蛋白,可是由于前面提到的、刚分裂出来的子细胞大小并不一样,这造成里面KRP4蛋白的浓度也不一样:小个的细胞里面KRP4蛋白浓度高;大个的细胞里面KRP4蛋白浓度低。细胞内还有一个机制控制KRP4蛋白浓度需要达到的一个目标浓度才会停止生长。研究人员从显微镜下看到,具有高浓度KRP4蛋白的小个细胞,要多花一些时间成长,使得KRP4蛋白达到目标浓度;而大个的细胞内KRP4蛋白浓度低,生长的时间相对短就可以达到目标浓度。最后,植株内所有不同大小的细胞都将长成一样的大小。研究揭秘细胞怎么知道何时停止生长这份研究6月11日发表于《科学》(Science)期刊。

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