Current Biology | 司方伟博士等首次发现细胞体积调控的奥秘学术资讯

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细胞体积的调控是生物学中一个被长期研究的基本问题。缺少调控机制的细胞一旦体积出现偏差，这个偏差就可能会不断放大，导致细胞随着生长和分裂变得愈来愈大或者愈来愈小。所以，细胞必须具备修正错误体积的能力来维持其生长和繁殖的稳态。但是即使对于最简单的细胞形式之一的细菌细胞，人们都在很长时间内没有搞清楚它们是如何调控自身体积的。

2014年，研究者们发现大肠杆菌以及不少其他细菌细胞总是在相邻的两次分裂之间增长一个恒定的体积【1,2】。通过这个恒定的增量，无论细胞在出生时体积偏差有多大，在经过多个分裂周期之后都会逐渐返回正常的体积（图A）。在这之后，更多的细菌种类被发现遵循这个恒定增量模式 (adder principle) 来修正自身的体积。不过，恒定增量模式仅仅是在现象层面解释了体积调控，其内在的机理成为了近几年的研究热点。

A: 细菌是通过相邻两次细胞分裂之间的恒定体积增量来达到体积的稳态【1,2】。图B: 细菌细胞的体积调控依赖分裂蛋白的“恒定分裂阈值”和“平衡生物合成”。（本图经过出版者许可修改自原文）

近日，美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Suckjoon Jun团队在Current Biology杂志上发表文章Mechanistic Origin of Cell-Size Control and Homeostasis in Bacteria，第一次发现了细菌细胞体积调控的机理。

通过高通量的单细胞定量生长测量实验、大规模计算机模拟以及数学建模，细菌细胞体积调控的机理被锁定在了细胞分裂蛋白的合成与作用。简单地讲，不管细胞出生时的体积大小，细胞总是需要积累到一个恒定量的分裂蛋白 (FtsZ) 来组装成分裂环来开始下一次分裂，而新的分裂蛋白的合成总是与细胞的生长保持恒定比例（图B）。这两个关键的细胞生物过程，可以称为“恒定分裂阈值 (fixed threshold)”和“平衡生物合成 (balanced biosynthesis)”。同时实验数据表明，和DNA起始复制有关的过程并不影响分裂蛋白的这两个关键特征。换而言之，细菌细胞体积稳态的调控完全依赖于细胞分裂蛋白的调控。借助这些理解，研究者们通过分子生物学的手段对于分裂蛋白合成过程进行干预，从而把细菌体积调控从恒定增量模式任意切换到其他模式。重要的是，这些机理被证明了并不局限于特定菌种的特定蛋白种类：分别单独进化超过10亿年的阴性菌—大肠杆菌和阳性菌—枯草杆菌，其体积调控都被发现满足上述原理。这一发现对于研究进化早期的原始细胞稳态调控，以及未来设计人工合成细胞的基本模式提供了启发。

据悉，此项工作的共同第一作者之一司方伟目前在UCSD的Suckjoon Jun实验室从事博士后研究。另外的第一作者是同实验室的博士后Guillaume Le Treut。

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