图为顶端分生组织（中央），侧面是正在形成的花蕾。绿色标记的细胞即将进入 DNA 复制阶段，洋红色标记表明 KRP4 蛋白正在积累，这是调控细胞大小机制的一部分。图片来源：John Innes Centre
来源 John Innes Centre
翻译 一晴
审校 戚译引
自 350 多年前科学家们在显微镜下发现细胞以来，他们就注意到每一种细胞都有其特定的大小。从微小的细菌到几英寸长的神经元，大小深刻影响着细胞的工作方式。然而，这些生命的组成元件如何调节自身大小的问题仍然是一个谜。
现在我们对这个长期存在的生物学问题提出一个解释。在一项针对不断生长的植物顶端的研究中，研究人员发现，细胞能够利用所含的 DNA 作为内部参照物，来评估和调整自身的大小。
本研究的通讯作者、英国约翰·英尼斯中心（John Innes Centre）一个研究小组的组长 Robert Sablowski 说：“很久以前就有人提出，DNA 可以用于评估细胞大小，但当时还不清楚细胞如何读取这把标尺，使用这些信息。其中的关键是用DNA作为模板来积累适量的蛋白质，然后在细胞分裂前将其稀释。能找到一个如此简单的方法来解决这个长期存在的问题，这真是令人兴奋。”
平均细胞大小是由细胞生长和分裂之间频率的平衡决定的。人们早就知道，细胞在分裂前会长到一定大小。但是细胞如何知道它生长了多少呢？
茎的分生组织是研究这个问题的一个有利材料，这是植物生长的顶端，它提供新的细胞来产生叶子、花和茎。分生组织细胞不断生长和分裂。它们的分裂往往是不均等的，会产生不同大小的细胞。随着时间的推移，这些差异会逐渐增加，但分生组织细胞的大小在长时间内处在一个较为精密的范围。
在这项发表在《科学》（Science）杂志上的研究中，约翰·英尼斯中心的研究人员仔细跟踪了分生组织细胞的生长和分裂。他们发现，尽管细胞开启生命的时候具有不同的大小，但是当细胞准备复制 DNA（这是细胞分裂前的必要步骤，每个新细胞都需要一份 DNA 的副本）时，细胞大小的初始差异大部分都已经得到了修正。
然后，他们监测了一种名为 KRP4 的蛋白质，它的作用是延迟 DNA 复制的开始。研究发现，无论它们最初的大小如何，细胞诞生时总是含有相同总量的 KRP4。这意味着当一个细胞形成时太小，它就会获得更高浓度的 KRP4，这就延缓了它的 DNA 复制进程，让细胞的大小有时间赶上其他细胞。相反，如果一个细胞形成时太大，KRP4 就会被稀释，使得细胞可以快速进入下一个阶段，而不会进一步生长。随着时间的推移，这种机制使分生组织细胞保持在一个较为统一的大小范围内。
但是，是什么保证细胞一开始就有相同总量的 KRP4 呢？事实证明，当细胞分裂时，KRP4 会搭上 DNA 的“顺风车”，DNA 以相同的拷贝数传递给每个新生细胞。这样，KRP4的初始量就与细胞的 DNA 含量成正比。为了确保 KRP4 在母细胞中按照DNA含量的比例积累，任何未与 DNA结合的多余 KRP4 都会在细胞分裂前被另一种名为 FBL17 的蛋白质破坏。利用数学模型和基因编辑产生的、以上遗传组分含量不同的突变体都证实了这一机制。
Robert Sablowski 教授解释了这一过程：“我们必须解决的一个谜题是，当细胞的大部分成分在数量和大小上同时增加时，细胞如何知道它增长了多少，因此它们不能被用作测量大小的固定标准。一个例外是 DNA，它以离散的数量存在于细胞中——它的数量在细胞分裂前精确地翻倍，但它不随细胞生长而变化。”
接下来的实验将试图解释蛋白 KRP4 的调控机制，以及它们如何在细胞分裂过程中与染色体分离。研究人员还想了解这种机制是否受不同细胞类型的调节，从而产生不同的平均细胞大小。
这些发现可能解释了基因组大小和细胞大小之间的关系——基因组较大的物种的细胞中有很多 DNA，它们的细胞往往更大。这在作物中尤为重要，许多含有多个野生祖先基因组拷贝的作物被选择，从而产生更大的细胞，其果实和种子通常也更大。
包括 KRP4 在内的遗传机制组成元件存在于许多生物体中，已经有人提出，这些组成部分在调节人类细胞的细胞大小方面很重要。因此，本研究中揭示的机制可能也与整个生物学王国相关，对动物和人类细胞生物学也具有启示意义。
论文信息
【论文标题】Cell size controlled in plants using DNA content as an internal scale
【论文作者】Marco D’Ario, Rafael Tavares, Katharina Schiessl, Bénédicte Desvoyes, Crisanto Gutierrez, Martin Howard, Robert Sablowski
【发表时间】2021 年 6 月 11 日
【发表期刊】Science
【论文编号】DOI: 10.1126/science.abb4348
【论文链接】http://dx.doi.org/10.1126/science.abb4348
【论文摘要】How eukaryotic cells assess and maintain sizes specific for their species and cell type remains unclear. We show that in the Arabidopsis shoot stem cell niche, cell size variability caused by asymmetric divisions is corrected by adjusting the growth period before DNA synthesis. KIP-related protein 4 (KRP4) inhibits progression to DNA synthesis and associates with mitotic chromosomes. The F BOX-LIKE 17 (FBL17) protein removes excess KRP4. Consequently, daughter cells are born with comparable amounts of KRP4. Inhibitor dilution models predicted that KRP4 inherited through chromatin would robustly regulate size, whereas inheritance of excess free KRP4 would disrupt size homeostasis, as confirmed by mutant analyses. We propose that a cell cycle regulator, stabilized by association with mitotic chromosomes, reads DNA content as a cell size–independent scale.
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