Cell | 是什么決定了細(xì)胞的大小？

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作者：K 來(lái)源：生物探索

2024-07-01

細(xì)胞的大小在多細(xì)胞生物中存在巨大的差異，例如人類(lèi)體內(nèi)的細(xì)胞大小可以跨越至少五個(gè)數(shù)量級(jí)。即使在簡(jiǎn)單的多細(xì)胞生物如秀麗隱桿線蟲(chóng)(C. elegans)中，細(xì)胞大小也可以跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)。細(xì)胞大小的這種巨大差異表明，特定的細(xì)胞角色需要最佳的細(xì)胞大小。

細(xì)胞的大小在多細(xì)胞生物中存在巨大的差異，例如人類(lèi)體內(nèi)的細(xì)胞大小可以跨越至少五個(gè)數(shù)量級(jí)。即使在簡(jiǎn)單的多細(xì)胞生物如秀麗隱桿線蟲(chóng)(C. elegans)中，細(xì)胞大小也可以跨越兩個(gè)數(shù)量級(jí)。細(xì)胞大小的這種巨大差異表明，特定的細(xì)胞角色需要最佳的細(xì)胞大小。

細(xì)胞大小與DNA含量成比例，在近親物種之間甚至同一物種內(nèi)，這種比例關(guān)系非常明顯。例如，酵母(Yeast)、某些人類(lèi)細(xì)胞、許多植物和蠑螈(Salamanders)中，由于倍性(Ploidy)的增加，DNA含量會(huì)增加，細(xì)胞大小也會(huì)隨之增加。此外，即使沒(méi)有倍性的變化，DNA含量的增加也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞大小的增加，例如通過(guò)移動(dòng)元件數(shù)量的增加。在紅細(xì)胞中，細(xì)胞大小與DNA含量的增加呈線性關(guān)系。

細(xì)胞大小與生長(zhǎng)速率也密切相關(guān)。在所有生命等級(jí)中，這種關(guān)系普遍存在。例如，在富營(yíng)養(yǎng)條件下快速生長(zhǎng)的細(xì)胞比在貧營(yíng)養(yǎng)條件下緩慢生長(zhǎng)的細(xì)胞更大。這種關(guān)系首先在細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)，被稱為“生長(zhǎng)定律”(growth law)。即使在相同的營(yíng)養(yǎng)條件下，酵母細(xì)胞也表現(xiàn)出生長(zhǎng)速率的隨機(jī)差異，而這種差異與細(xì)胞大小成正比。這種關(guān)系可能是一種適應(yīng)機(jī)制，使單細(xì)胞生物能夠在較少的營(yíng)養(yǎng)資源下進(jìn)行更多的細(xì)胞分裂。

細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)于細(xì)胞周期的進(jìn)展是必需的。例如，經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)截肢阻止變形蟲(chóng)(amoeba)的細(xì)胞生長(zhǎng)，會(huì)阻止細(xì)胞分裂，而那些在G1期出生的小酵母細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷G1期的延遲，以允許更多的生長(zhǎng)時(shí)間。在真核生物中，G1期末是評(píng)估生長(zhǎng)的關(guān)鍵過(guò)渡點(diǎn)，被稱為“起始點(diǎn)”(START)或哺乳動(dòng)物中的“限制點(diǎn)”(restriction point)。盡管細(xì)胞生長(zhǎng)對(duì)于細(xì)胞周期進(jìn)展是必需的，但細(xì)胞周期進(jìn)展并不是細(xì)胞生長(zhǎng)的必要條件。

在分裂后細(xì)胞中，多細(xì)胞生物中細(xì)胞大小的變化主要是通過(guò)分裂后細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化產(chǎn)生的。這種細(xì)胞大小多樣性的生成需要啟動(dòng)生長(zhǎng)程序的機(jī)制，以及確定適當(dāng)生長(zhǎng)量以終止該程序的機(jī)制。

關(guān)于細(xì)胞大小控制的兩種模型是“加法模型”(adder model)和“定量模型”(sizer model)。“加法模型”認(rèn)為，在每個(gè)細(xì)胞周期階段或整個(gè)細(xì)胞周期中，無(wú)論起始大小如何，都會(huì)增加一個(gè)恒定的生長(zhǎng)量。而“定量模型”則認(rèn)為，只有在達(dá)到某個(gè)臨界大小時(shí)，細(xì)胞周期進(jìn)展才會(huì)發(fā)生。

已有很多研究揭示了細(xì)胞大小控制的復(fù)雜性和多樣性，表明細(xì)胞大小的調(diào)控不僅僅是生長(zhǎng)和分裂的結(jié)果，還涉及一系列精細(xì)的調(diào)控機(jī)制。這些機(jī)制在保持細(xì)胞功能和生物體的正常發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。（5月23日 Cell “SnapShot: Cell size control”）

細(xì)胞大小的調(diào)控（Credit: Cell）

細(xì)胞大小的調(diào)控（Credit: Cell）

參考文獻(xiàn)

1. Jorgensen, P., and Tyers, M. (2004). How cells coordinate growth and division. Curr Biol 14, R1014-1027.

2. Hatton, I.A., et al. (2023). The human cell count and size distribution. Proc Natl Acad Sci U S A 120, e2303077120.

3. Gregory, T.R. (2001). Coincidence, coevolution, or causation? DNA content, cell size, and the C-value enigma. Biol Rev Camb Philos Soc 76, 65–101.

4. Schaechter, M., Maaloe, O., and Kjeldgaard, N.O. (1958). Dependency on medium and temperature of cell size and chemical composition during balanced grown of Salmonella

typhimurium. Journal of General Microbiology 19, 592–606.

5. Johnston, G.C., Pringle, J.R., and Hartwell, L.H. (1977). Coordination of growth with cell division in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Exp Cell Res 105, 79–98.

6. Soifer, I., Robert, L., and Amir, A. (2016). Single-Cell Analysis of Growth in Budding Yeast and Bacteria Reveals a Common Size Regulation Strategy. Curr Biol 26, 356–361.

7. Cadart, C., et al. (2018). Size control in mammalian cells involves modulation of both growth rate and cell cycle duration. Nat Commun 9, 3275.

8. Liu, X., Yan, J., and Kirschner, M.W. (2024). Cell size homeostasis is tightly controlled throughout the cell cycle. PLoS Biol 22, e3002453.

9. Campos, M., et al. (2014). A constant size extension drives bacterial cell size homeostasis. Cell 159, 1433–1446.

10. Xie, S., and Skotheim, J.M. (2020). A G1 Sizer Coordinates Growth and Division in the Mouse Epidermis. Curr Biol 30, 916-924.e2.

11. Futcher B, Kellogg DR. SnapShot: Cell size control. Cell. 2024 May 23;187(11):2896-2896.e1. doi: 10.1016/j.cell.2024.04.030. PMID: 38788693.

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