細胞過度生長：稀釋胞質與引發衰老

撰文丨十一月

圖片引自Cell

不同種類的細胞大小各不相同的。在不同的生長條件下，為了維持正常的細胞功能，細胞的大小會保持在一個確定的範圍。細胞維持特定的大小對於細胞正常的功能是非常重要的。細胞大小發生改變通常出現在一些病理情況中，比如在癌症中，腫瘤細胞通常都會變得比較小或者是大小不均【1】；而在人細胞系以及出芽酵母中細胞衰老則通常伴隨著細胞尺寸的明顯變大【2】。但是細胞尺寸的精密調控的重要意義目前還不得而知。

關於細胞維持自身大小的重要意義，來自MIT的Angelika Amon研究組近日為我們帶來了一個新穎的思考角度，即細胞過度生長會稀釋細胞質，由此引起細胞功能與增殖能力下降，RNA與蛋白質濃度降低，進而引發衰老。該研究以長文形式發表在Cell上，題為"Excessive Cell Growth Causes Cytoplasm Dilution And Contributes to Senescence"【3】。

Amon研究組首先建立了一個良好的實驗系統。該系統利用在細胞週期阻滯的情況下，細胞大小持續增加但是DNA的總量不改變，同時對溫度敏感的酵母cdc28突變株作為模型，在限制性溫度下誘導6小時以後，cdc28突變型酵母的體積增加約十倍之多（圖 1）。此突變株體積的巨大變化範圍為研究細胞大小改變與細胞生理功能之間的關係提供了極好的工具。

圖 1 酵母cdc28突變株限制性溫度誘導後，細胞大小增加約十倍。

細胞大小增加對於細胞的功能有什麼影響呢？Amon研究組發現，酵母cdc28突變株在高溫下被阻滯在G1期，細胞逐漸增大，再次恢復到適宜生長的溫度後增殖的速度變慢。通過對於出芽形成，DNA複製速度以及G1期的細胞週期蛋白的表達量的檢測，發現在cdc28突變株高溫誘導的情況下，細胞週期所有階段的進展均變慢。 那麼是什麼造成了細胞在有絲分裂期進展的缺陷？研究者認為可能是由於DNA複製或者是染色體附著在紡錘體上的能力出現問題導致了DNA損傷的激活與紡錘體組裝檢驗點（Spindle Assembly Checkpoints ,SAC）的激活。為了證明該觀點並對超大細胞的功能缺陷進行解釋，研究者對影響DNA損傷基因或者SAC的基因進行敲除，發現均能對超大細胞的功能缺陷部分抑制。由此說明細胞週期檢驗點的激活對於超大細胞細胞週期延遲具有一定的影響。除此之外，由於在超大細胞中所有細胞週期均被延遲，研究者對超大細胞中細胞週期調控蛋白進行檢測後發現細胞週期調控蛋白的誘導速度較正常的細胞變慢

細胞變大的影響是方方面面的。因此研究者想要進一步確認細胞變大之後生物大分子的合成是否受到影響。通過對誘導時間不同而大小不同的cdc28突變株的細胞中RNA以及蛋白質合成速率測定後發現，隨著細胞逐漸變大超過一定體積後，細胞內的RNA與蛋白質被稀釋，大分子合成與細胞大小增長速度不成比例。除此之外，超大細胞的轉錄與翻譯速度均慢於細胞增長的速度。

對於酵母細胞來說，細胞被阻滯在一定時期超過三個小時會引起應激響應被稱為環境應激反應（Environmental Stress Response,ESR）。ESR會在應對不同的環境脅迫的時候被誘導出來，ESR通常會引起核糖體合成基因的抑制。研究者通過研究發現在超大細胞中核糖體合成的基因被抑制，並且發現此種抑制是因為細胞變大而非因為營養條件的變化。

那麼超大細胞中是什麼因素造成了細胞對於ESR的響應和其他表型呢？在超大細胞中，沒有隨著細胞體積變化的有DNA，那麼DNA的含量是否是造成超大細胞功能缺陷的限制性因素呢？通過增加細胞中的染色體倍性，作者發現，二倍體的超大細胞相較於單倍體細胞來說細胞週期進展速度變快。DNA含量增加一定程度上挽救了超大細胞功能缺陷的表型。由此作者確認，

除了細胞週期阻滯可使細胞體積變大，是否還有其他情況能夠引起細胞體積的異常增大？這些情況是否有什麼內在的相關性？根據已有的研究作者發現，細胞衰老會逐漸引起細胞體積增大。對衰老細胞進行研究後發現，衰老細胞與超大細胞的表型相似，細胞中的RNA與蛋白質也被稀釋，轉錄和翻譯的速度受到影響。並且發現超大細胞的壽命不足正常細胞的1/3。細胞體積增大是複製性衰老的保守性的特徵之一。為了研究細胞質在超大細胞中稀釋這一表型在人類中是否也會引起衰老，作者選用能夠被阻滯在G1期的原代人類細胞系進行研究，在藥物誘導後該品系人類細胞體積明顯增大（圖 2），細胞增大後細胞增殖能力下降，細胞中RNA與蛋白質合成水平降低。細胞體積變大以及DNA：細胞質比例變低造成的細胞生理改變以及細胞週期阻滯伴隨細胞衰老。

圖2 人類原代成纖維細胞（IMR90）。DNA損傷藥物處理後引發細胞體積明顯增大。

在酵母中，很多因素比如多餘的核糖體環狀DNA積累、液泡pH改變、有害蛋白累積以及蛋白質錯誤聚集都會引起衰老細胞，功能減退。而作者的研究發現，細胞體積增加可能是另外一個引發細胞衰老的因素。細胞體積增加後細胞壽命降低。總而言之，細胞維持特定的DNA：細胞質比例對於維持正常的細胞功能非常關鍵。

原文鏈接：

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

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參考文獻

1. Ginzberg, M.B., Kafri, R., and Kirschner, M. (2015). Cell biology. On being theright (cell) size. Science348, 1245075–1245075.

2. Hayflick, L., and Moorhead, P.S. (1961). The serial cultivation of human diploidcell strains. Experimental Cell Research25, 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

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關鍵字: 腫瘤 酵母 細胞