Cell為細胞生物學理論撥亂反正

日期：2016-05-09 09:01:28

細胞每分裂一次，就會復制一次它的DNA，然后分開兩份DNA拷貝，分裂成兩個子細胞。這一事件受到復雜的調控，很早以前人們就知道它受cyclins的影響——隨著細胞通過細胞周期的不同階段這組蛋白的水平會相應地上升與下降。

然而這幅細胞周期圖像在2008年遭到了質疑，當時一項在酵母中完成的研究提出，細胞周期的個別步驟可能并不依賴于cyclins，而是被基因表達振蕩所驅動。現在由洛克菲勒大學Fred Cross領導的細胞周期遺傳學實驗室將cyclins放回了原位：認為其掌控了受到細胞周期調控的基因表達，證實如果完全及整體消除這些蛋白，酵母細胞將不再有周期性的基因表達脈沖，完全無法執行細胞分裂周期。這些結果報告在《細胞》（Cell）雜志上。

中央時鐘

論文的第一作者、Cross實驗室博士后Sahand Jamal Rahi，將細胞通過分裂周期傳代比喻為制造復雜產品，例如汽車的工廠。只是在這種情況下，細胞正在改造自身。

“一切都必須按特定的順序發生以確保正確地生成成品。”首先必須復制各種細胞結構，然后必須復制DNA并獲得合適的支架，只有這樣細胞最終才會分裂成兩個子細胞。這些事件必須以協調的方式發生，每一個都發生于特定時間內。

Rahi說：“問題是，在工廠車間的中心是否有一個中央時鐘，讓每個人知道何時完成他們的工作，還是每個工人都有自己的手表？”在這一比喻中，cyclins調控細胞周期這一觀點類似于中央時鐘，而在爭論性理論中，根據獨立運行各個蛋白質生產這一觀點，更像是多名工廠工人戴著自己的手表。

在這項研究中，Rahi生成了不產生cyclins和它的周期蛋白依賴性蛋白激酶(Cdks，被cyclins激活的一個酶家族)失活的酵母菌株。他發現當通過細胞分裂周期時，這些菌株沒有經歷通常在酵母細胞中看到的基因表達適時振蕩。這證實cyclin表達，而非基因表達的整體振蕩，對于向前推動細胞周期至關重要。換句話說，在工廠的中心存在一個中央時鐘。

對癌癥治療的影響

但有一些例外的蛋白打破這一規則。Rahi說：“我們調查了其中一個蛋白SIC1，當阻斷中央cyclin時鐘時SIC1生產一遍又一遍地開啟。通過數學建模及一些實驗，我們發現SIC1反饋和穩定了cyclin鐘擺當它擺動過遠或過低時——一種驚人驚訝的雙向效應。”

這些問題不僅對試圖了解細胞分裂力學的基礎科學家而言有意思，也有可能與臨床相關。一個靶向Cdks的藥物家族當前正在一些臨床試驗中進行測試治療不同的癌癥類型。更好地了解cyclins控制細胞周期的機制或許可以讓我們了解這些藥物在細胞中所做的事情，以及它們多大程度上有望作為抗癌藥物發揮作用。

產生后代是所有生物的進化目標。單個細胞的增殖是通過細胞周期協調的。2001年，三位科學家因發現真核生物細胞周期是如何被調節的，獲得了當年的諾貝爾生理學獎。最近，瑞士巴塞爾大學Urs Jenal教授帶領的研究團隊，確定了細菌繁殖的主要切換器。真核生物的細胞周期進程是由稱為細胞周期蛋白（cyclins）的小蛋白調節，在細菌中這個作用是由一個小信號分子c-di-GMP完成的。科學家們在2015年5的《Nature》雜志描述了這一過程的分子細節。

墨爾本的科學家們顛覆了四十年的細胞分裂理論，他們的研究顯示，母細胞為子細胞重置了細胞分裂所用的時間。結果是兩個子細胞擁有相同的細胞分裂時間，但子細胞所需的細胞分裂時間與母細胞不同。Walter and Eliza Hall研究所的科學家們發現，細胞分裂并不完全符合之前的預測模型，于是他們在新數據的基礎上對模型進行了改進，并將結果發表在2014年的PNAS雜志上。這項研究將幫助人們更好的理解免疫應答或癌癥發展中的細胞增殖。

失控性的細胞生長與分裂是癌癥的一個標志。由鄧迪大學領導的一項研究對人類細胞分裂時的基因活性進行了迄今為止最完整的描述。研究人員設法收集了當癌細胞通過細胞周期時，6000多種基因編碼的蛋白質分子的行為細節數據。研究小組采用先進的技術和數據分析研究了癌細胞中的基因隨時間推移運作的機制。并非捕獲活性“快照”，他們將這一飛躍比喻為“從攝影跳躍至視頻”。該研究結果發表在2014年3月國際著名期刊《eLIFE》上。