Cell子刊论文解答细胞生物学谜题

一种给定类型的细胞，其大小可以有很大的差异，但是它们的DNA含量保持不变。这个现象一直困扰着生物学家。最近，宾夕法尼亚大学的一个研究小组解开了这个谜题。相关研究结果发表在最近的Cell旗下子刊《Molecular Cell》。

　　

生物通报道：在任何教科书的简图中，一组红血细胞、皮肤细胞或神经细胞，通常大小都是相同的。但是，正如没有哪两个人的身高和体重是完全相同，在一个真正的细胞群体中，细胞的尺寸是有大有小的。

最近，宾夕法尼亚大学的一个研究小组表明，在大多数细胞染色体中的核DNA的两个拷贝，可以使细胞具有任何的尺寸大小。相关研究结果发表在最近的Cell旗下子刊《Molecular Cell》。

一种给定类型的细胞，其大小可以有很大的差异，但是它们的DNA含量保持不变。这个现象一直困扰着生物学家，因为这意味着，较大细胞比小细胞具有更低的DNA浓度，类似于相同大小的图书馆服务于人口数量不同的两个城镇。所有细胞都依赖于转录的DNA内容，才能产生适宜浓度的分子产物。目前尚不清楚的是，较大细胞的DNA如何可以满足增长的需求。

本文通讯作者、宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院生物工程教授Arjun Raj指出：“在一群功能完全一致、体积不同的细胞中，它们如何应对，才具有相同数量的DNA？这是细胞分析时要多方面考虑的一个重要问题。”延伸阅读：2015年技术展望：细胞分析。

现在，Raj和合作团队已经解开了这个谜团。通过一系列的实验，研究人员发现，当细胞体积增大时，DNA更快地转录成mRNA。这使得更大的细胞能维持所有生物分子的正确浓度。

此外，该团队发现了两种不同的机制，可引起mRNA转录速率的变化。一种机制可补偿细胞间的大小差异，而另一种机制则在细胞DNA的负荷增加时，调控mRNA生产的变化。这些见解可以帮助研究人员查明癌细胞的机制，并阐明胚胎形成的早期阶段。

几十年来，生物学家们已经知道，并不是所有给定类型的细胞都是生而平等的。尽管它们具有相同的遗传代码，但细胞间仍存在一定量的随机变异性。例如，功能相同的细胞之间体积可以相差六倍。

这产生了一个疑问：是否一个大的细胞和一个小的细胞含有相同的DNA拷贝数？是否这两种细胞会以同样的速度产生和回收mRNA？较大的细胞是否应该有更低浓度的蛋白质和其他必要分子。反过来，这会致使代谢反应的速率随细胞大小不同而显著变化。但是，更大的细胞显然能通过储存更多的DNA补体相关mRNA，来弥补它们的大小。

Raj说：“我们知道，一个更大的细胞需要从相同数量的DNA分子转录更多的RNA。我们想确切地描述，细胞是怎样做到这一点的。”

在生物学中，简单的问题往往包含多个层面。研究者决定解决的第一层问题，与mRNA自身的生产有关。Raj说：“在更大的细胞中，通过两种方式可以从DNA得到更多的RNA。细胞更快地转录RNA，或者RNA降解地更慢。”

Raj和他的同事们通过将一个荧光标记的分子并入单个细胞中，能够实时观察RNA合成和降解。他们发现，较大的细胞能更快地从DNA转录RNA，并以同样的速度降解它。

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接下来，研究人员试图在转录率和细胞大小之间建立一种因果关系。只是因为细胞的大小和RNA生产相关，并不意味着一个因素触发另一个因素。Raj说，我们知道，更大的细胞有更多的RNA。但我们所不知道的是，如果我要制造一个更大的细胞，它是否会开始制造更多的RNA？或者，一个细胞更大是因为它有更多的RNA吗？或者，有其他什么东西完全控制这两方面？”

为了弄清这些问题，研究人员将小细胞和大细胞融合，产生了新的细胞，与原有的细胞相比，新细胞有超过两倍的尺寸大小，包含两倍的DNA负荷。Raj说：“如果体积本身可以决定转录，那么我们应该看到RNA分子的绝对数增加。当我们把这些细胞融合时，它们的核开始生产更多的RNA，因为它们可以感觉到体积增大了。这是第一次有人表明，体积和RNA拷贝数之间存在一种因果关系。”

通过细胞融合实验，该小组发现这个故事另一个令人担忧的问题：细胞并不是简单地检测体积的变化，而是精确监测DNA负荷率的变化。Raj说：“你可能想象有什么东西告诉DNA，你是5号细胞尺寸，转录相应的RNA。但这不是它起作用的方式。当我们把两个细胞融合在一起时，我们产生的这个细胞体积增加两倍，而且具有双重的DNA。”融合细胞并不是转录原始细胞四倍的RNA，而是在它们基因组的两个拷贝之间传递增加了的转录本。

Raj和他的同事们了解到，细胞可以根据体积和DNA负载，而修改RNA的生产，他们怀疑可能有几种机制在发挥作用。通过观察细胞有丝分裂（或细胞分裂），他们证实了这个预感。在分裂期间，细胞在分为前两个细胞之前，首先产生其所有基因的一个额外拷贝。

Raj解释说：“在有丝分裂的过程中，我们观察到，一段时间内，在相同大小的细胞内有两倍多的DNA。细胞如何确保它从每个DNA拷贝获得更多的转录？我们发现，转录脉冲式地发生，并且，当有更多的DNA存在时，这种脉冲发生的频率更低。”相比之下，Raj和他的团队发现，当细胞的大小（而不是DNA含量）不同时，转录脉冲不会改变频率，它们只是变得更大或更小。

是否有具体的分子控制细胞，使它们能够根据尺寸大小和DNA含量调整其mRNA生产？目前尚不明确。Raj认为，转录酶和组蛋白（小分子，结合DNA并影响mRNA生产）的混合物在起作用。

这项研究的见解，可以帮助研究人员查明癌症等疾病的细胞基础，在这类疾病中，DNA负荷的体积比似乎是重要的。该研究还可以让我们深入了解细胞在胚胎形成早期阶段如何保持适当的生化特性。Raj指出：“在早期胚胎发育过程中，你从一个大细胞开始，然后迅速分裂成许多小细胞。细胞需要有适当的机制来导致这些巨大的体积变化。我们的研究显示，如果一个细胞较大或较小，它如何解决随着大小变化出现的各种浓度问题？对‘转录率与细胞体积有何关系’感兴趣的每个人，都会发现这一见解很有用。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Single Mammalian Cells Compensate for Differences in Cellular Volume and DNA Copy Number through Independent Global Transcriptional Mechanisms
Summary: Individual mammalian cells exhibit large variability in cellular volume, even with the same absolute DNA content, and so must compensate for differences in DNA concentration in order to maintain constant concentration of gene expression products. Using single-molecule counting and computational image analysis, we show that transcript abundance correlates with cellular volume at the single-cell level due to increased global transcription in larger cells. Cell fusion experiments establish that increased cellular content itself can directly increase transcription. Quantitative analysis shows that this mechanism measures the ratio of cellular volume to DNA content, most likely through sequestration of a transcriptional factor to DNA. Analysis of transcriptional bursts reveals a separate mechanism for gene dosage compensation after DNA replication that enables proper transcriptional output during early and late S phase. Our results provide a framework for quantitatively understanding the relationships among DNA content, cell size, and gene expression variability in single cells.