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我们不知道答案的125个科学问题(63)中心体的复制 精选

已有 4289 次阅读 2023-11-26 12:40 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

63. 是什么使细胞成分能在不依赖于DNA的条件下进行自我复制?  What enables cellular components to copy themselves independent of DNA?

1. 细胞的结构和细胞周期

细胞是所有生物体的基本组成单元。人体由数万亿个细胞组成,它们为身体提供稳定的空间结构,从食物中吸收养分,将这些营养物质转化为能量,并利用能量来完成维持生命功能的各种生化过程。生物体的每一个细胞都包含控制细胞生化过程的遗传物质DNA,细胞在DNA的指挥下能够完全地复制自己,这就是细胞的增殖或分裂。

细胞的增殖分裂是生物成长繁衍、组织修复和更新代谢的必然要求,而细胞的一个分裂过程就称为一个细胞周期,细胞周期完全是在DNA的指导下完成的。细胞周期(cell cycle)是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程(见图1所示),主要分为间期(interphase)分裂期(mitosis)两个阶段,间期又细分为三个阶段:DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S期)与DNA合成后期(G2期);细胞的有丝分裂期也可分为前、中、后和末期四个阶段,但它是一个连续变化的过程,完成由一个母细胞分裂成两个子细胞的过程,一般只需1-2个小时。所以细胞的大部分时间都是在间期中度过,一个细胞周期的完成显然都是以DNA复制为核心,也就是细胞在一个细胞周期内在DNA的指挥下完成了复制自己的全过程。

图1.jpg

1 细胞的周期

细胞能够成功复制自己预示着细胞能将自己内部的任何部分通过DNA协调而完美地复制出来。然而新的问题来了,进一步的研究发现细胞内部某些成分的复制过程并非由DNA控制,细胞内某些细胞器可以独立于DNA的复制过程而完成自我复制,到底是什么机制导致了这种行为?为了说清楚这个问题,我们先从细胞的内部构造说起。

细胞体由多个部分构成,每个部分具有不同的功能,其中一些可以完整区分的部分可称为细胞器,它们是细胞内执行某些任务的特殊结构。人体细胞主要包含以下部分:(1)细胞膜,细胞由外膜包裹,它将细胞和环境分开,是一种有蛋白质嵌入的双层磷脂分子,允许物质进入和离开细胞;(2)细胞质,细胞内充满细胞质,它由一种果冻状的液体(称为细胞液)和细胞核周围的其他结构组成;(3)细胞骨架,它是构成细胞结构框架的长纤维网络,可以确定细胞形状、参与细胞分裂和支持细胞移动,也为细胞提供了一个类似轨道的网络系统,指导细胞器和其他物质在细胞内的运动;(4)内质网,处理细胞产生的分子,将这些分子运输到细胞内或细胞外的特定目的地;(5)高尔基体,将内质网处理的分子包装起来,以便转运出细胞;(6)溶酶体和过氧化物酶体,它们是细胞的回收中心,负责消化侵入细胞的外来细菌,清除细胞中的有毒物质,并回收老化了的细胞成分;(7)线粒体,将食物中的能量转化为细胞可以使用的形式。它们有自己的遗传物质,与细胞核中的DNA复制过程分开,可以自由复制自己;(8)细胞核,是细胞的指挥中心,向细胞发出生长、成熟、分裂或死亡的指令,其内存放重要的遗传物质DNA(脱氧核糖核酸),它被一层核膜包围,以便保护DNA并将细胞核与细胞的其他部分分开;(9)核糖体,处理细胞遗传指令并用于合成蛋白质的细胞器,它可以在细胞质中自由漂浮或附着连接到内质网上;(10)中心体,帮助细胞分离成对产生的染色体,将核DNA复制后的染色体分开推向细胞的两侧,大部分细胞只有1个中心体。中心体可以在没有DNA指导的情况下进行自我复制。

图2-细胞.jpg

2 细胞的构成部分和细胞器示意图

在细胞的分裂过程中,细胞必须确保其遗传物质在两个新产生的细胞中均匀分布,这个可由DNA的精准复制来保证,但细胞除了染色体的复制和分配外,还需要复制和分配像高尔基体、线粒体和中心体这样的细胞成分。在以上介绍的细胞成分中(见图2),除了线粒体和中心体,其他细胞器的复制都是建立在DNA指导的基础上进行复制合成的。而线粒体和中心体似乎都可以脱离核DNA的指导而进行自我复制,但线粒体中存有DNA,其中的DNA可以认为是细胞核DNA保存在线粒体中的副本,所以线粒体的复制本质上还是受DNA控制的。然而中心体却极为不同,它似乎完全可以独立于核DNA的指挥进行自我复制,而这种独立性至今让人无法理解?所以以中心体为代表的某些细胞器可以在没有DNA指导的情况下进行独立复制,对于细胞而言是非常危险的,这意味着细胞存在不受核DNA控制的成分复制过程,所以这种独立性至今仍然没有完全获得解释:细胞为什么会出现这种独立于DNA复制过程的成分合成?

对于细胞而言,DNA是人类和几乎所有其他生物总的遗传物质,生物体制造的所有蛋白质、酶、核糖体等物质成分的指令编码都来源于DNA,它是生物细胞体保持稳定性的重要来源。人体内几乎每个细胞都具有相同的DNA,大多数DNA位于细胞核中(称为核DNA),而少量DNA位于线粒体中(称为线粒体DNAmtDNA),所以细胞复制所需要合成的蛋白质、糖类和脂类都是在核DNA的监控下完成的。线粒体因为是细胞内能量转化的重要场所,所以细胞中线粒体的数量可以不受限制, 一个细胞内线粒体的数目可以从十几个到数百个不等,越活跃的细胞含有的线粒体数目就越多,如心脏细胞和大脑细胞内含有线粒体的数目最大,而皮肤细胞含有线粒体的数目比较少。所以细胞让线粒体保持相对独立的复制能力是可以理解的,但无论如何它也是受线粒体中DNA所控制的。而对于中心体而言情况却极为不同,中心体的复制几乎独立于DNA的控制,但它在细胞中却始终能保持精准的数目,这就意味着中心体在细胞的一个分裂周期里也只能严格地分裂一次。

2. 中心体及自我独立复制

中心体自我复制的独特性让人们对中心体进行了更详细的研究。中心体一般存在于动物及低等植物的细胞中,它是一种无膜的细胞器,由两个相互连接的中心粒、中心粒外周物质(pericentriolar materials, PCM)和一些附加结构组成。中心体位于细胞核附近的细胞质中,由于接近细胞中心,因此叫中心体。电子显微镜下中心体显示主要由两个相互垂直的圆柱形中心粒组成,中心粒是一个直径约200 nm,长度约500 nm的圆柱形结构,由9个微管三联体组成(见图3所示)。 中心体是动物细胞的微管组织中心,中心粒也是一些细胞的初级纤毛、活动纤毛和鞭毛的起源。

图3中心体结构.png

3 中心体和中心粒图像

DNA是遗传信息的载体,它定义和调节着细胞生长的周期性进程。细胞周期本质上是一个核周期,或一个DNA周期,因为细胞各个阶段都是基于DNA复制表达而发生的过程。然而,中心体的复制和分离却是独立于DNA复制和表达过程的另一个重要周期性事件:中心体周期。细胞以一个中心体的复制开始细胞周期,并且中心粒的复制受到精准限制,因此每个中心体周期仅在细胞中的特定位点发生一次。由于这种复制机制,两个中心粒的年龄和成熟度不同,就具有不同的功能,两个中心粒中较旧的中心粒可以启动睫状轴突的形成。

由于中心体具有独立于DNA复制的自我周期,而且它似乎也是控制着细胞分裂的细胞周期,长期以来被认为是细胞的中心,但后来发现它只是细胞中微管的主要成核中心,在细胞有丝分裂中只是通过微管丝分离复制的染色体。而中心体的复制周期虽然表面独立于DNA控制,但并不是失控的,除了少数例外,间期细胞中只有一个中心体,在细胞分裂之前中心体必须复制PCM,以便形成两个新细胞继承的单个中心体。中心体的中心粒只在大多数微管相关过程中发挥着重要作用,包括细胞运动、细胞分裂和细胞信号传导。为了协调这些不同的细胞过程,中心粒数量会被严格控制。在每个细胞周期中(见图4所示),一个新的中心粒在每个先前存在的中心粒旁边形成,中心体复制过程的改变将导致癌症和神经发育障碍等疾病。然而虽然中心体早在150年前就被发现,但中心体复制的机制及其在细胞周期进程中的调控仍未完全了解,目前对控制中心粒复制发生的分子机制以及它是不是真的独立于DNA复制过程还没有得到更好的理解。

图5.png

图4 中心体周期



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