Cell | 细胞过度生长：稀释胞质与引发衰老

撰文丨十一月

责编 | 兮

图片引自Cell

不同种类的细胞大小各不相同的。在不同的生长条件下，为了维持正常的细胞功能，细胞的大小会保持在一个确定的范围。细胞维持特定的大小对于细胞正常的功能是非常重要的。细胞大小发生改变通常出现在一些病理情况中，比如在癌症中，肿瘤细胞通常都会变得比较小或者是大小不均【1】；而在人细胞系以及出芽酵母中细胞衰老则通常伴随着细胞尺寸的明显变大【2】。但是细胞尺寸的精密调控的重要意义目前还不得而知。

关于细胞维持自身大小的重要意义，来自MIT的Angelika Amon研究组近日为我们带来了一个新颖的思考角度，即细胞过度生长会稀释细胞质，由此引起细胞功能与增殖能力下降，RNA与蛋白质浓度降低，进而引发衰老。该研究以长文形式发表在Cell上，题为"Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm Dilution And Contributes to Senescence"【3】。

Amon研究组首先建立了一个良好的实验系统。该系统利用在细胞周期阻滞的情况下，细胞大小持续增加但是DNA的总量不改变，同时对温度敏感的酵母cdc28突变株作为模型，在限制性温度下诱导6小时以后，cdc28突变型酵母的体积增加约十倍之多（图 1）。此突变株体积的巨大变化范围为研究细胞大小改变与细胞生理功能之间的关系提供了极好的工具。

图 1 酵母cdc28突变株限制性温度诱导后，细胞大小增加约十倍。

细胞大小增加对于细胞的功能有什么影响呢？Amon研究组发现，酵母cdc28突变株在高温下被阻滞在G1期，细胞逐渐增大，再次恢复到适宜生长的温度后增殖的速度变慢。通过对于出芽形成，DNA复制速度以及G1期的细胞周期蛋白的表达量的检测，发现在cdc28突变株高温诱导的情况下，细胞周期所有阶段的进展均变慢。 那么是什么造成了细胞在有丝分裂期进展的缺陷？研究者认为可能是由于DNA复制或者是染色体附着在纺锤体上的能力出现问题导致了DNA损伤的激活与纺锤体组装检验点（Spindle Assembly Checkpoints , SAC）的激活。为了证明该观点并对超大细胞的功能缺陷进行解释，研究者对影响DNA损伤基因或者SAC的基因进行敲除，发现均能对超大细胞的功能缺陷部分抑制。由此说明细胞周期检验点的激活对于超大细胞细胞周期延迟具有一定的影响。除此之外，由于在超大细胞中所有细胞周期均被延迟，研究者对超大细胞中细胞周期调控蛋白进行检测后发现细胞周期调控蛋白的诱导速度较正常的细胞变慢。

细胞变大的影响是方方面面的。因此研究者想要进一步确认细胞变大之后生物大分子的合成是否受到影响。通过对诱导时间不同而大小不同的cdc28突变株的细胞中RNA以及蛋白质合成速率测定后发现，随着细胞逐渐变大超过一定体积后，细胞内的RNA与蛋白质被稀释，大分子合成与细胞大小增长速度不成比例。除此之外，超大细胞的转录与翻译速度均慢于细胞增长的速度。

对于酵母细胞来说，细胞被阻滞在一定时期超过三个小时会引起应激响应被称为环境应激反应（Environmental Stress Response, ESR）。ESR会在应对不同的环境胁迫的时候被诱导出来，ESR通常会引起核糖体合成基因的抑制。研究者通过研究发现在超大细胞中核糖体合成的基因被抑制，并且发现此种抑制是因为细胞变大而非因为营养条件的变化。

那么超大细胞中是什么因素造成了细胞对于ESR的响应和其他表型呢？在超大细胞中，没有随着细胞体积变化的有DNA，那么DNA的含量是否是造成超大细胞功能缺陷的限制性因素呢？通过增加细胞中的染色体倍性，作者发现，二倍体的超大细胞相较于单倍体细胞来说细胞周期进展速度变快。DNA含量增加一定程度上挽救了超大细胞功能缺陷的表型。由此作者确认，DNA:细胞质的比例需要保持在一定的范围内，只有这样RNA与蛋白质的生物合成才能够满足动态基因表达、细胞增殖与细胞信号转导。

除了细胞周期阻滞可使细胞体积变大，是否还有其他情况能够引起细胞体积的异常增大？这些情况是否有什么内在的相关性？根据已有的研究作者发现，细胞衰老会逐渐引起细胞体积增大。对衰老细胞进行研究后发现，衰老细胞与超大细胞的表型相似，细胞中的RNA与蛋白质也被稀释，转录和翻译的速度受到影响。并且发现超大细胞的寿命不足正常细胞的1/3。细胞体积增大是复制性衰老的保守性的特征之一。为了研究细胞质在超大细胞中稀释这一表型在人类中是否也会引起衰老，作者选用能够被阻滞在G1期的原代人类细胞系进行研究，在药物诱导后该品系人类细胞体积明显增大（图 2），细胞增大后细胞增殖能力下降，细胞中RNA与蛋白质合成水平降低。细胞体积变大以及DNA：细胞质比例变低造成的细胞生理改变以及细胞周期阻滞伴随细胞衰老。

图2 人类原代成纤维细胞（IMR90）。DNA损伤药物处理后引发细胞体积明显增大。

在酵母中，很多因素比如多余的核糖体环状DNA积累、液泡pH改变、有害蛋白累积以及蛋白质错误聚集都会引起衰老细胞，功能减退。而作者的研究发现，细胞体积增加可能是另外一个引发细胞衰老的因素。细胞体积增加后细胞寿命降低。总而言之，细胞维持特定的DNA：细胞质比例对于维持正常的细胞功能非常关键。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419300510

制版人：珂

1. Ginzberg, M.B., Kafri, R., and Kirschner, M. (2015). Cell biology. On being theright (cell) size. Science 348, 1245075–1245075.

2. Hayflick, L., and Moorhead, P.S. (1961). The serial cultivation of human diploidcell strains. Experimental Cell Research 25, 585–621.

3. Gabriel E. Neurohr, Rachel L. Terry,Jette Lengefeld, ..., Folkert J. van Werven,Liam J. Holt, Angelika Amon. (2019). Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm DilutionAnd Contributes to Senescence. Cell. l 176, 1–15 

BioArt，一心关注生命科学，只为分享更多有种、有趣、有料的信息。关注请长按上方二维码。投稿、合作、转载授权事宜请联系微信ID：bioartbusiness 或邮箱：sinobioart@bioart.com.cn。原创内容，未经授权，禁止转载到其它平台。