细胞分裂时,里面的家当怎么分?

人体内时刻进行着细胞分裂。|Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images人体内时刻进行着细胞分裂。|Andrzej Wojcicki/Science Photo Library/Getty Images

  作者|刘天同 清华大学医学院

  你知道自己多久换一套皮肤吗?对,你没听错,不是王者农药的的皮肤,就是你身体表面如假包换的皮肤。答案是,一个月。

  不光如此,此时此刻你的胃,跟一星期前已经不是一个胃了;你肺里的气管,跟两个月前也已经不是同一套气管了。

  事实上,人体内大多数器官和组织,时刻都在发生细胞分裂,用新生细胞替代衰老细胞。据估计,人体内有30万亿个细胞,每天会发生两万亿次细胞分裂。也就是说,如果细胞分裂一次要收你一块钱,一天就能收光4.5个马云的身家资产。

  那么问题来了,细胞分裂时,里面的家当怎么分?科学家发现,每一次细胞分裂,都是一次秉持儒家思想的分家——不患寡而患不均,非常讲究公平。

  细胞分裂时,家当怎么分?

  18世纪中期,人们逐渐意识到,新细胞不是凭空长出来的,而是由先前存在的细胞分裂而来。

  别看细胞的直径只有头发丝粗细的十分之一,其内部复杂程度之高,堪称一个“小宇宙”。在宇宙中心是细胞核,周围还有大大小小的星系——细胞器。

 细胞的内部有很多家当,比如细胞核和线粒体等各种细胞器。|维基百科 细胞的内部有很多家当,比如细胞核和线粒体等各种细胞器。|维基百科

  细胞带着这么多家当,一分为二时,里面的“家当”怎么分呢?

  不想不知道,其实大多数细胞分裂的时候都很有原则。首先,最基本的家当——携带我们遗传物质的染色体——必须分得均匀。细胞有一组独特而巧妙的机制,保证每一条染色体都被复制成两份(虽然小细节上经常出错),在细胞分裂时被精准地拽进两个子细胞。

  然而,人类的染色体一共就只有23对,怎么想都很难分错。可是细胞分裂不止要分染色体,还要把一大堆过日子必需的家具——细胞器给分清楚,才能保证分裂产生的两个子细胞都能正常独立存活。

  比如非常重要的线粒体也得分得均匀。线粒体是真核细胞的“锅炉房”,通过“燃烧”(氧化分解)葡萄糖,为细胞的各种活动提供能量。而且它们还是一种实现了“独立自主”的细胞器,每一个线粒体内部都有自己专用的DNA,负责编码各种与氧化供能相关的蛋白质。

线粒体的内部结构。它为细胞的各种活动提供能量。| genebase线粒体的内部结构。它为细胞的各种活动提供能量。| genebase

  在细胞分裂时,与染色体类似,线粒体也不能凭空合成,只能把先前存在的线粒体当做模板,复制出一份儿来,然后两个子细胞一人一半。

  问题是,保守估计,人身上每个细胞里有10万~60万个线粒体。这么庞大的数量,能保证分得均匀吗?神通广大的细胞还真有办法。

  细胞内的“锅炉房”:炸了炸了

  正如人体需要骨骼支撑一样,细胞也有自己的骨骼——细胞骨架。它们帮助维持细胞形态,运输细胞内的各种物质。每一次细胞分裂想顺利完成,细胞骨架功不可没。

  细胞骨架是由不同蛋白质纤维构成的复杂网状体系,这些纤维粗细不一,像有序交织在一起的滑轨一样,引导细胞内各种结构的运动。

显微镜下看到的细胞骨架。它们如人体骨骼一样,维持着细胞的形态,引导细胞内各种结构的运动。| Harvard University显微镜下看到的细胞骨架。它们如人体骨骼一样,维持着细胞的形态,引导细胞内各种结构的运动。| Harvard University

  线粒体在细胞内的运动,依赖于一种很细的名为微丝的细胞骨架。微丝就像缆绳,由蛋白质做为缆车,搭载着线粒体“乘客”在微丝上滑行,实现在细胞内的运动。

  科学家们早就发现,微丝在干活儿的时候有一种很不寻常的行为——喜欢扎堆儿。不光如此,聚集在一起的微丝通常会以恒定的速度转圈,就像一个正在运行的雷达在搜索着什么。

在细胞内旋转的微丝团。|Journal of Cell Biology在细胞内旋转的微丝团。|Journal of Cell Biology

  3月3日,《自然》杂志发表的一项研究发现,细胞分裂时,线粒体要分得均匀,还得仰赖微丝的奇特功能。

  在高分辨率显微镜下,线粒体在细胞分裂中的运动似乎可以不用蛋白质“缆车”,而是直接缠到“缆绳”上。“缆绳”时常发生缠绕,这一缠绕,就把大量“乘客”给困在了里面,让它们动弹不得。

  但是说来也奇怪,这一团“缆绳”说紧就紧,说松就松,有时会像引发微型爆炸一样,突然把里面的“乘客”一股脑儿向各个方弹射出去,速度很快。“乘客”身上通常还会系着一根“缆绳”,能在细胞内“坠落”相当一段距离,上演一次惊险刺激的“蹦极”。

 微丝将线粒体向各个方向弹射,像是上演一场惊险刺激的蹦极。|Nature 微丝将线粒体向各个方向弹射,像是上演一场惊险刺激的蹦极。|Nature

  这一系列复杂的“游乐”操作听来很神奇,可是细胞为什么要把自己的骨架当成“弹弓”,把线粒体弹来弹去?这就又回到了开篇提到的儒家思想——平均分配。线粒体其实正是借助细胞骨架的这一特殊行为,被完全平均地分配到两个子细胞中。

  其中原理就像我们玩扑克时洗牌一样,要想把一摞牌尽量随机均匀地分散开,就要反复洗牌。细胞也在洗“线粒体”,用一团细胞骨架聚起一堆线粒体,然后用力向各个方向扔出去,保证线粒体在细胞内的随机均匀分布,而不是聚集在某一侧。

  线粒体,不只是“锅炉房”

  然而,科学研究每弄明白一个问题,就会提出十个相关问题。对于线粒体,我们还有很多未知。

  比如,在通常的细胞分裂中,线粒体会均匀分配,但一些特定种类的干细胞会进行非对称分裂,分裂出两个不同功能的子细胞,这时“知情识趣”的线粒体便总是倾向于只进入其中一个。它们是如何做到的?是借助于一种完全不同的机制,还是微丝在不同种类的细胞中会有不同行为?目前并不清楚。

细胞分裂时,线粒体并不总是平均分。关于线粒体仍有很多未知。|来自网络细胞分裂时,线粒体并不总是平均分。关于线粒体仍有很多未知。|来自网络

  尤瓦尔·赫拉利在《未来简史》中说,如果科学说得没错,幸福快乐是由生化系统所掌握的,那么唯一能确保长久心满意足的方法,就是去掌控这个系统。

  我们的确正在掌控这个系统,但道路仍然漫长。

  1890年,人们第一次发现线粒体。自此之后,我们对线粒体的认识不断加深,才发现,它并不是细胞内普通的“锅炉房”。

  我们看到线粒体具有精细的内部结构,知道它的37个基因有何用处,还发现各种各样的线粒体异常与至少300种疾病有关,每5000个人里头,就有一个会患上与线粒体相关的遗传病。就连细胞的葬礼——细胞凋亡也与线粒体有关。

  一个小小的细胞器尚且如此复杂,什么时候才能真正弄清楚一个细胞,一个器官,乃至整个人体的奥秘?恐怕连科幻小说都不敢给出答案。

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