研究发现细胞在分裂前会清除垃圾以为后代留出一片净土

2022年05月23日 12:08 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

麻省理工学院(MIT)的科学家们发现,在细胞开始分裂之前,它们会做一些清理工作,然后扔掉一些它们似乎不再需要的分子。研究人员通过使用他们自己开发的测量细胞干质量的新方法发现,细胞在进入细胞分裂时会失去掉约4%的质量。

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研究人员认为,这种清空垃圾的做法有助于细胞给它们的后代一个“干净的石板”--没有母细胞积累的垃圾。

MIT的研究科学家和这项新研究的主要作者Teemu Miettinen指出:“我们的假设是,细胞可能正在扔掉那些正在积累的东西,有毒成分或只是那些你不希望存在的不能正常运作的东西。它可以让新生的细胞诞生时有更多的功能内容。”

生物工程系和机械工程系的David H. Koch工程教授、Koch综合癌症研究所成员Scott Manalis是该研究论文的资深作者,该论文于5月10日发表在《eLife》上。MIT生物工程系本科生Kevin Ly和Alice Lam也是该论文的作者。

测量质量

测量一个细胞的干质量--其内容物不包括水的重量--通常使用一种叫做定量相显微镜的显微镜技术来完成。这种技术虽然可以测量细胞的生长,但它无法揭示关于干质量的分子含量的信息,而且它很难用于生长在悬浮液中的细胞。

Manalis的实验室之前曾开发了一种测量细胞浮力质量的技术,也就是它们漂浮在水等液体中时的质量。这种方法通过让细胞流经一个嵌入振动悬臂的通道来测量浮力质量,这可以反复进行以此来跟踪特定细胞的质量在许多小时或几天内的变化。

研究人员希望对该技术进行调整以便它可以被用来计算细胞的干质量及干质量的密度。实际上大概在10年前,他们已经发现,如果他们先在普通水中测量细胞然后再在重水中(含有氘而不是普通的氢)测量就能计算出细胞的干质量。这两次测量可以用来计算细胞的干质量。

然而重水对细胞是有毒的,所以他们只能对每个细胞进行一次测量。去年,Miettinen开始研究他是否能设计一个系统可以重复测量细胞并将重水的暴露量降到最低。

在其想出的系统中,当细胞流经微流体通道时,它们会非常短暂地暴露在重水中。由于细胞只需一秒钟就能完全交换其水含量,因此研究人员可以测量细胞充满重水时的质量并将其跟正常水中的质量进行比较,然后计算出干质量。

Miettinen说道:“我们的想法是,如果我们尽量减少细胞跟重水的接触,我们可以设计这个系统,这样我们就可以在长时间内重复这种测量而不伤害细胞。这使我们第一次不仅能跟踪细胞的干质量--这是其他人使用显微镜方法所做的,而且还能跟踪干质量的密度,这使我们了解细胞的生物分子组成。”

研究人员表示,他们的干质量测量在质量上跟以前使用定量相显微镜的工作一致。并且除了提供干物质的密度外,MIT团队的方法还能实现更高的时间分辨率,这被证明对揭示有丝分裂(细胞分裂)期间的动态非常有用。

扔掉垃圾

在经历有丝分裂的细胞中,研究人员利用他们的新技术研究在该过程中细胞质量和组成发生了什么。在2019年的一篇论文中,Miettinen和Manalis发现,随着有丝分裂的开始,浮力质量略有增加。然而其他使用定量相位显微镜的研究表明,在细胞分裂早期,细胞可能保留或失去干性质量。

在新研究中,MIT团队测量了三种类型的癌细胞。由于这些细胞的分裂比健康细胞更频繁,所以它们更容易研究。令研究人员感到惊讶的是,他们发现,当细胞进入细胞分裂周期时细胞的干质量实际上会减少。这种质量后来在分裂完成之前又恢复了。

进一步的实验显示,当细胞进入有丝分裂时它们加大了一个叫做溶酶体外渗的过程的活动。溶酶体是分解或回收细胞废物的细胞器,而外吞作用则是它们用来抛弃任何不再需要的分子的过程。

研究人员还发现,随着细胞失去干物质,干物质的密度也在增加,这使他们相信,细胞正在失去低密度分子如脂质或脂蛋白。他们假设,细胞在分裂前利用这一过程来清除有毒分子。

研究人员推测,他们的发现可能有助于解释为什么不会分裂的神经元更有可能积累有毒蛋白质如Tau或淀粉样β,这些则都跟阿尔茨海默病的发展有关。

另外,该研究结果还可能跟癌症有关。癌细胞可以利用细胞外渗排出一些化疗药物,从而帮助它们对药物产生抗性。从理论上讲,在细胞分裂前阻止外泌体的发生可以帮助使癌细胞更容易受到此类药物的影响。

“在有些疾病中,我们可能想要提高细胞外分泌,如在神经退行性疾病中,但也有像癌症这样的疾病,我们可能想要调低它。未来,如果我们能更好地理解这背后的分子机制并找到一种在有丝分裂之外触发它或在有丝分裂期间防止它的方法,那么我们就真的可以在治疗疾病时使用一个新的切换器,”Miettinen说道。

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