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超增长挑战建立了细胞生长科学

导读科学家仍在努力解决诸如细胞如何真正生长这样根本的问题。细胞不仅是充满水的斑点,而且充满蛋白质,核酸,脂质和许多其他类型的分子。当细

科学家仍在努力解决诸如细胞如何真正生长这样根本的问题。细胞不仅是充满水的斑点,而且充满蛋白质,核酸,脂质和许多其他类型的分子。当细胞生长时,它不仅大小增加,而且还必须制造更多的这些生物分子来维持自身。

为了使细胞的无数生化反应起作用,所有这些生物分子的浓度都需要保持在适当的水平。但是,随着细胞大小的增长,细胞如何仅合成适量的这些关键细胞成分呢?

“我们都认为细胞中蛋白质的浓度必须保持相对恒定。否则,如果细胞质变得太稀或太富集,则细胞过程可能会失败,可能导致细胞生病和死亡。”这项研究的资深共同作者弗雷德•张(Fred Chang)说,该研究有可能颠覆数十年来对该主题的公认见解。细胞生长。

在这份新论文中,Chang和这项新研究的共同资深共同作者,前技术员Ben Knapp描述了一个令人惊讶的发现。他们表明,在对细胞进行某些压力处理后,它们似乎获得了新的“超能力”,使它们的生长速度是正常人的两倍-作者称之为“超生长”。

“没有人见过这些细胞生长如此之快,”张说。“这真是令人难以置信,我们痴迷于找出原因。”

在调查这些细胞为何如此迅速生长的过程中,他们发现在压力时期,细胞出乎意料地储存了生物分子。消除压力后,这种积累成为快速增长的驱动力。

“我们没想到细胞甚至不可能将蛋白质浓度增加到如此极端的程度。而且,这种增加并未使细胞生病。相反,它们非常健壮和健康。这种弹性让我们完全感到惊讶。” Chang说。

研究人员在进行一系列旨在阐明细胞内压与其生长速率之间联系的实验时,首先观察到了超生长。为了研究这种关系,研究人员转向了粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)-一种单细胞酵母,经常被用作研究细胞生长和分裂的实验系统,并且已经产生了许多相关的诺贝尔奖获奖发现。

在四个小时的时间内,研究人员对细胞进行了一系列的“渗透振荡”,这一过程导致其内部压力迅速波动。在这些振荡过程中,他们注意到细胞生长停滞,而蛋白质生产继续减弱,导致蛋白质水平迅速上升,其中一些蛋白质的浓度在振荡期间几乎翻了一番。当振荡结束时,令研究人员惊讶的是,细胞开始异常快速地生长-正常速度的两倍,有时接近三倍。这种超增长从未见过。

Chang说:“结果是一个又一个惊喜,而且我从职业生涯开始就一直在研究这种酵母。”

研究人员测试了许多可能的想法,这些想法可能解释了他们的观察结果,并发现蛋白质积累本身而不是与渗透振荡相关的压力变化在推动超增长。

为了证明这一点,科学家在振荡阶段使用了一种叫做环己酰亚胺(CHX)的化学物质-可以关闭蛋白质的产生。这种处理阻止了细胞生长或制造任何蛋白质。一旦振荡结束,CHX被冲走,细胞开始生长并再次产生蛋白质。但是由于他们没有储存蛋白质,所以他们从未达到过接近超增长的水平。

根据这一观察结果,研究人员随后使用另一种方法来确认蛋白质积累而非渗透振荡是造成超生长的原因。为了在不依赖振荡的情况下停止细胞生长,他们使用了一种名为布雷菲德菌素A(BFA)的化学物质,该物质可以在不干扰蛋白质产生的情况下中止生长。当BFA被冲走时,在整个非生长阶段一直积累蛋白质的细胞经历了超生长。

“每个人都一直认为细胞内分子的密度是经过精心调节的,而生长是保持大分子浓度相对恒定的一种方法。但是这项研究表明,在某些情况下,细胞内部的蛋白质密度可能不会像我们想象的那样受到严格控制。此外,我们的发现引发了关于细胞如何仅通过改变其生长速率即可调节其密度的新思路。” Chang说。

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