細胞分裂時,裡面的家當怎麼分?
2021年04月11日08:35

  來源:科普研習社

人體內時刻進行著細胞分裂。|Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images
人體內時刻進行著細胞分裂。|Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images

  作者|劉天同 清華大學醫學院

  你知道自己多久換一套皮膚嗎?對,你沒聽錯,不是王者農藥的的皮膚,就是你身體表面如假包換的皮膚。答案是,一個月。

  不光如此,此時此刻你的胃,跟一星期前已經不是一個胃了;你肺里的氣管,跟兩個月前也已經不是同一套氣管了。

  事實上,人體內大多數器官和組織,時刻都在發生細胞分裂,用新生細胞替代衰老細胞。據估計,人體內有30萬億個細胞,每天會發生兩萬億次細胞分裂。也就是說,如果細胞分裂一次要收你一塊錢,一天就能收光4.5個馬雲的身家資產。

  那麼問題來了,細胞分裂時,裡面的家當怎麼分?科學家發現,每一次細胞分裂,都是一次秉持儒家思想的分家——不患寡而患不均,非常講究公平。

  細胞分裂時,家當怎麼分?

  18世紀中期,人們逐漸意識到,新細胞不是憑空長出來的,而是由先前存在的細胞分裂而來。

  別看細胞的直徑只有頭髮絲粗細的十分之一,其內部複雜程度之高,堪稱一個“小宇宙”。在宇宙中心是細胞核,周圍還有大大小小的星系——細胞器。

 細胞的內部有很多家當,比如細胞核和線粒體等各種細胞器。|維基百科
 細胞的內部有很多家當,比如細胞核和線粒體等各種細胞器。|維基百科

  細胞帶著這麼多家當,一分為二時,裡面的“家當”怎麼分呢?

  不想不知道,其實大多數細胞分裂的時候都很有原則。首先,最基本的家當——攜帶我們遺傳物質的染色體——必須分得均勻。細胞有一組獨特而巧妙的機製,保證每一條染色體都被複製成兩份(雖然小細節上經常出錯),在細胞分裂時被精準地拽進兩個子細胞。

  然而,人類的染色體一共就只有23對,怎麼想都很難分錯。可是細胞分裂不止要分染色體,還要把一大堆過日子必需的傢俱——細胞器給分清楚,才能保證分裂產生的兩個子細胞都能正常獨立存活。

  比如非常重要的線粒體也得分得均勻。線粒體是真核細胞的“鍋爐房”,通過“燃燒”(氧化分解)葡萄糖,為細胞的各種活動提供能量。而且它們還是一種實現了“獨立自主”的細胞器,每一個線粒體內部都有自己專用的DNA,負責編碼各種與氧化供能相關的蛋白質。

線粒體的內部結構。它為細胞的各種活動提供能量。| genebase
線粒體的內部結構。它為細胞的各種活動提供能量。| genebase

  在細胞分裂時,與染色體類似,線粒體也不能憑空合成,只能把先前存在的線粒體當做模板,複製出一份兒來,然後兩個子細胞一人一半。

  問題是,保守估計,人身上每個細胞里有10萬~60萬個線粒體。這麼龐大的數量,能保證分得均勻嗎?神通廣大的細胞還真有辦法。

  細胞內的“鍋爐房”:炸了炸了

  正如人體需要骨骼支撐一樣,細胞也有自己的骨骼——細胞骨架。它們幫助維持細胞形態,運輸細胞內的各種物質。每一次細胞分裂想順利完成,細胞骨架功不可沒。

  細胞骨架是由不同蛋白質纖維構成的複雜網狀體系,這些纖維粗細不一,像有序交織在一起的滑軌一樣,引導細胞內各種結構的運動。

顯微鏡下看到的細胞骨架。它們如人體骨骼一樣,維持著細胞的形態,引導細胞內各種結構的運動。| Harvard University
顯微鏡下看到的細胞骨架。它們如人體骨骼一樣,維持著細胞的形態,引導細胞內各種結構的運動。| Harvard University

  線粒體在細胞內的運動,依賴於一種很細的名為微絲的細胞骨架。微絲就像纜繩,由蛋白質做為纜車,搭載著線粒體“乘客”在微絲上滑行,實現在細胞內的運動。

  科學家們早就發現,微絲在幹活兒的時候有一種很不尋常的行為——喜歡紮堆兒。不光如此,聚集在一起的微絲通常會以恒定的速度轉圈,就像一個正在運行的雷達在搜索著什麼。

在細胞內旋轉的微絲團。|Journal of Cell Biology
在細胞內旋轉的微絲團。|Journal of Cell Biology

  3月3日,《自然》雜誌發表的一項研究發現,細胞分裂時,線粒體要分得均勻,還得仰賴微絲的奇特功能。

  在高解像度顯微鏡下,線粒體在細胞分裂中的運動似乎可以不用蛋白質“纜車”,而是直接纏到“纜繩”上。“纜繩”時常發生纏繞,這一纏繞,就把大量“乘客”給困在了裡面,讓它們動彈不得。

  但是說來也奇怪,這一團“纜繩”說緊就緊,說鬆就鬆,有時會像引發微型爆炸一樣,突然把裡面的“乘客”一股腦兒向各個方彈射出去,速度很快。“乘客”身上通常還會繫著一根“纜繩”,能在細胞內“墜落”相當一段距離,上演一次驚險刺激的“蹦極”。

 微絲將線粒體向各個方向彈射,像是上演一場驚險刺激的蹦極。|Nature
 微絲將線粒體向各個方向彈射,像是上演一場驚險刺激的蹦極。|Nature

  這一系列複雜的“遊樂”操作聽來很神奇,可是細胞為什麼要把自己的骨架當成“彈弓”,把線粒體彈來彈去?這就又回到了開篇提到的儒家思想——平均分配。線粒體其實正是借助細胞骨架的這一特殊行為,被完全平均地分配到兩個子細胞中。

  其中原理就像我們玩撲克時洗牌一樣,要想把一摞牌儘量隨機均勻地分散開,就要反複洗牌。細胞也在洗“線粒體”,用一團細胞骨架聚起一堆線粒體,然後用力向各個方向扔出去,保證線粒體在細胞內的隨機均勻分佈,而不是聚集在某一側。

  線粒體,不只是“鍋爐房”

  然而,科學研究每弄明白一個問題,就會提出十個相關問題。對於線粒體,我們還有很多未知。

  比如,在通常的細胞分裂中,線粒體會均勻分配,但一些特定種類的幹細胞會進行非對稱分裂,分裂出兩個不同功能的子細胞,這時“知情識趣”的線粒體便總是傾向於只進入其中一個。它們是如何做到的?是借助於一種完全不同的機製,還是微絲在不同種類的細胞中會有不同行為?目前並不清楚。

細胞分裂時,線粒體並不總是平均分。關於線粒體仍有很多未知。|來自網絡
細胞分裂時,線粒體並不總是平均分。關於線粒體仍有很多未知。|來自網絡

  尤瓦爾·赫拉利在《未來簡史》中說,如果科學說得沒錯,幸福快樂是由生化系統所掌握的,那麼唯一能確保長久心滿意足的方法,就是去掌控這個系統。

  我們的確正在掌控這個系統,但道路仍然漫長。

  1890年,人們第一次發現線粒體。自此之後,我們對線粒體的認識不斷加深,才發現,它並不是細胞內普通的“鍋爐房”。

  我們看到線粒體具有精細的內部結構,知道它的37個基因有何用處,還發現各種各樣的線粒體異常與至少300種疾病有關,每5000個人裡頭,就有一個會患上與線粒體相關的遺傳病。就連細胞的葬禮——細胞凋亡也與線粒體有關。

  一個小小的細胞器尚且如此複雜,什麼時候才能真正弄清楚一個細胞,一個器官,乃至整個人體的奧秘?恐怕連科幻小說都不敢給出答案。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽