说说细胞几何学（Cell Geometry）

李升伟/编译

[题记]细胞三维结构的形成原因仍然是一种重要的细胞生物学之谜。

图1：细胞的多样性：不同组织和生物体的细胞存在呈现戏剧性不同的外形和大小，在此图中，顺时针自上左开始：视网膜视杆细胞和视锥细胞、丰满的红血细胞、小脑内的普尔基涅细胞、耳朵内的感觉毛发细胞、单细胞原生生物、天蓝喇叭虫和角膜内皮。

当我们在中学里第一次学习细胞知识时，我们的老师叫我们把它们想象为“液泡”。事实上，有一些细胞确实是外形像液泡，比如著名的阿米巴，它生活在池塘底部、可以吞吃更小的生物。大多数常规用于细胞生物学研究的组织培养细胞如罕拉氏细胞也非常地像液泡。但是，如果我们停止观察在培养皿中的细胞，开始审视人体内的各种细胞时，我们立刻会发现这些细胞不仅外形各异、而且色彩斑斓、异彩纷呈、令人震惊。

细胞内部结构也充满了三维几何复杂性。细胞是一种充满着液体、水样的袋状物体，包含着各种各样的酶，而且，按照不同的功能分隔为大量的细胞器，每个细胞器含有不同的生物化学通路、共同决定特定的细胞生理学。这些细胞器将细胞分隔开来，就如同楼房的不同房间那样，它们的大小、外形和数目各自不同，根据细胞的需要在不同的时空动态地发生着改变。例如，内质网在加工处理分泌性蛋白质时是网络状的膜管和液囊结构，而在分泌时的胰腺细胞内则呈现为大规模膨胀结构。

另外一个影响细胞几何学(Cell Geometry)的因素是它们的建筑材料。细胞是由湿软的材料如脂质膜和蛋白质组成的，它们都可以在与细胞内其它分子反应时发生巨大的外形改变。这些建筑材料可以快速地从一个地方移动到另一个地方，它们在细胞内的浓度和分布一般由合成和分解的平衡机制控制。
   生物学家们经常把基因组称为细胞或生物体的内部蓝图，但从传统观念上来说它不是一种蓝图：它并不能指定每个细胞部件的结构定位。也就是说，基因组只能指定制造什么部件、什么时候制造它们，而不能指定它们到哪里或它们如何被组装在一起。

因此，是什么决定了细胞的几何形状呢？尽管从人们用电子显微镜对细胞的内部结构首次视觉化以来，经过了几十年的研究，我们仍然对细胞的分子部件如何构成复杂的三维结构细胞知之甚少。细胞形成其最后结构的机制尚未得到鉴定。并且，由于结构与功能在生物学中如此紧密联系着，揭示这些机制的工作一直是细胞生物学家们孜孜不倦地追求的目标，将有助于人们认识细胞形状的成因、以及它们工作的机制。

多大才是足够大的？

也许说来，最基本的细胞几何学问题是大小问题。例如，任何细胞的关键特征是细胞器大小，它们会因细胞类型和功能的不同而有巨大的不同。细胞器大小的这种基于需要的差异性提示，细胞拥有一些调控通路，可以按照特定细胞的需要而调整细胞器大小，但是在大多数情况下，我们并不知道这些通路是什么。一个悬而未决的问题是，这样的控制系统是否需要解决细胞器大小测量的问题，才能阐明细胞做出各种调整的机制。

以内质网为例，其分泌的蛋白质在最终成形时要发生折叠，蛋白质折叠的抑制在该细胞器容量溢出时发生，激发一种基因表达程序、驱动更多内质网膜的生产。这样一种基于需要的反馈控制系统保证了细胞保持内质网的大小适当。

对于其它细胞器来说，大小似乎可以反映生长与退化之间的动态平衡。纤毛是一类线状细胞器，由微管束组成，微管是细胞膜的突出物；每个纤毛的长度由其所包含的微管长度决定。这些微管的顶部不断地分解开来，而纤毛可以维持固定的长度或者还能增长的唯一原因是通过新的微管蛋白的持续组装。在纤毛发育过程中去组装以一个持续速率发生着，组装则作为长度的函数而得到调控，所以，随着纤毛长长，其组装速率就慢了下来，直到最后组装和去组装的速率彼此达到平衡。

细胞外形的决定因素

图2：外形转换：几种因子相互作用以决定细胞和细胞器的三维结构。

一旦我们了解了细胞内结构的复杂性和整体细胞外形的多样性，我们就会问：是什么基因或蛋白质能够塑造这些复杂的生物学特征。在一些情况下，人们似乎已经发现了一些蛋白质，它们的功能似乎是决定细胞器的外形。例如，膜弯曲蛋白比如BAR结构域蛋白和网状蛋白有助于决定内质网的微管外形。它们之所以能够做到这一点，是因为对于弯曲的表面有高度的亲和力，所以它们可以选择性地与细胞器膜的管状区域结合。这些蛋白质的结合能克服了使膜弯曲的能量成本，否则膜仍然会保持扁平状态。简单地向圆的脂质囊泡添加膜弯曲蛋白就足以导致囊泡成为一种窄管的网状结构物，彰显了单个蛋白质驱动复杂几何转换的能力。

除了蛋白质在塑造细胞结构中的重要性而外，细胞结构本身的物理性能也不能忽视。膜包绕细胞器的外形很大程度上决定于膜的基本特性。脂质双层的两层膜是完全相同的，大多数情况下是稳定的，呈扁平的层状结构，但是如果每层膜的脂质组成不同，则膜将出现一定的弯曲度。在那些包含有不同弯曲度的脂质混合物的膜中，脂质会分离成为各自不同的结构域，有各自不同的构象，从而产生复杂的非球状外形。人们已经提出，正是这种脂基机制形成了细菌细胞两极的弯曲结构，从而与其它细胞的外形区别开来。膜张力和弹力也可以影响细胞外形，系通过影响施加在膜上的局部作用力来决定弯曲或拉伸的程度，就如同那些由细胞骨架丝状体产生的力那样，可以使细胞移动和收缩。

在这些例子中，外形部分地是由组成细胞器的部件的物理参数决定的：如果化学组成被改变，外形也就被改变。在另外的例子中，外形则决定于数学必然性。可能最简单的例子就是表面面积对体积比的影响作用。在球状细胞器内，表面面积对体积比是细胞器大小的函数，并且，不论细胞可能表达什么基因，它都不能在不改变外形或表面面积对体积比的情况下，独立地改变表面面积和体积。从固定体积的球体开始，随着表面面积的增加，细胞器变得越来越不是球形，开始成为薄饼或液囊状结构。

近期一项对内质网的研究分析了薄饼堆栈的外形结构，描述了这些不同因素是如何能够协同工作的。内质网的实质性成份由一些扁平的膜样液囊组成，为了将巨大的表面面积挤压在一个微小的细胞内部，这些液囊彼此堆压在一起。特定的蛋白质在形成这些堆栈的扁平外形中起到了一定的作用。科学家们发现这些液囊参与了弯曲的管连接，拥有螺旋状外形，就如同停机坪上的一道道舷梯。由于有一个团队的技师来设计停机坪，所以当然形成了细胞内的复杂结构，需要复杂的蛋白质网络来进行活跃的调控。但是事实上，一种简单的数学模型证明内质网堆栈连接物的螺旋状结构是脂质膜的基本物理学的直接后果：所形成的停机坪样外形最小化了膜的伸缩能。

细胞器还需要在细胞内部组装在一起，有趣的思考是某种细胞器的三维结构是如何受到包绕在其周围的细胞器的几何学的驱动的呢？例如，细胞核经常拥有一个浅凹，似乎是由压入其中的中心小体导致的。在这种情况下，浅凹本身可能根本就没有什么功能后果，但是简单地形成了将细胞器压紧在一起的副作用。另外，细胞器还会彼此协同工作，比如内质网的微管帮助了线粒体裂殖的驱动。很清楚，要认识细胞几何学将需要一种系统水平上的方法，来确定多个部件的分离行为是如何形成整个系统的功能的。

从结构到功能

在科学家们持续地研究指导细胞器外形形成的材料性能同时，还有一个问题就是外形是如何影响功能的。如上所述，外形可以协调地从系统的物理学中产生，与细胞器功能无关。但是经常地，特异化的蛋白质进化到可以影响细胞器外形，而细胞器大小和外形可以在改变的同时，对等地产生细胞功能的特异化，提示细胞器几何学可以确确实实地有功能的重要性。

例如，细胞器几何学在癌症中经常受到扰乱：大多数肿瘤细胞表现出细胞器大小和外形的许多改变，比如存在充满粘液的巨大液泡或片断化核仁。正是这些改变使细胞病理学家们可以通过观察显微镜下的细胞来诊断癌症，并且，尽管这些变化的分子原因还几乎完全不为人知，它们确实发生的事实增加了这样的可能性：这些改变是恶性细胞表型发育的部分结果。但是到目前为止，证据是完全相互有关的。这个领域目前最需要的是一种方法来直接检测是否细胞器几何学的变化可以在细胞行为中起到一种原因性作用。

细胞器外形已经被证明有一定的功能作用，一个例子就是脂质在内质网和线粒体之间的交换。2012年，美国国立糖尿病和消化病与肾病研究所的克里斯蒂安·沃斯（Christiane Voss）及其同事发现，形成内质网管的网状蛋白的变异可以破坏这两种细胞器之间的连接，损害了脂质从内质网到线粒体之间转移的能力，这种过程对线粒体膜的合成至关重要。随着我们对决定其它细胞器的几何学的机制的知识日益增加，很有可能工程化地模拟每种细胞器几何学的系统变化，来研究细胞行为的结果和相关生理学。

总体来说，我们可以把膜边界细胞器想象为化工厂的反应容器，每个细胞器的体积决定了其中生物化学反应物的数量，而表面积则决定了细胞质和细胞器内部的反应物和产物之间的交换速率。在任何化学反应中，交换速率和体积可以影响中间物累积的浓度，从而可以巨大地改变速率，甚至是在其中发生的反应的结果。

如果细胞器的大小和外形确实可以影响其生物化学通路的功能，就产生了这样有趣的可能性：我们可以通过操作细胞器几何学来调整细胞生理学。例如，如果肿瘤细胞有膨胀的细胞核，可能我们就可以将细胞核改变为正常大小来使细胞的恶性程度降低。但是，目前，我们还不具备足够的关于调控细胞器几何学的分子的知识，也就不能对这样的策略进行检测了。

整体细胞的几何学

图3  巨纤毛虫：天蓝喇叭虫，一种单细胞的原生生物，大小长达2毫米，被模式复杂的纤毛所覆盖，可以用来成为一种认识细胞几何学的发育问题的有趣模式生物体。

由于大部分细胞几何学仍然是个谜，研究人员们正在开始鉴定调控单个细胞部件的特定几何特征如长度、体积或弯曲度的那些分子。但是，即使我们认识了细胞内细胞器或各种类型细胞突起物的几何学是如何决定的，我们将仍然面临这样的问题：如何来认识总体细胞外形及其内部结构。

目前正在研究的一个特殊问题是细胞极性。在许多细胞中，有可能定义一到多条极化轴，作为参照物来确定细胞内结构的位置。例如，在上皮层，细胞呈六面体，细胞基底端与基底膜接触，而纤毛从对面的顶端芽生出来。这种极化外形对于上皮层组织的组织化是至关重要的，比如在肺或肾中的管状组织。同样地，迁移性细胞如白血细胞发育形成了一种清晰的应答于化学趋化物梯度的前后极化轴，在前端配备有一个分枝状肌动蛋白网络来驱动向前运动。

从概念上来说，细胞极性轴类似于发育中的胚胎的体轴，事实上，细胞面对着许多与胚胎同样的发育挑战。与胚胎内一样，细胞的不同结构必须在确定的相对位置上形成，这要求形态遗传学活性的长期协调。在胚胎中，这种协调部分地通过可扩散性形态原分子作用而完成，但是我们远远不知道这些形态原是如何促成了单个细胞模式形成的发育，即使它们在这种水平上得到了操作。

研究单个细胞的发育生物学的挑战之一是，在动物体内，细胞可以彼此影响相互的位置，这大大地复杂化了细胞外形的研究。而且，研究在隔离培养物中成长的单个细胞又有它固有的弱点。遗憾的是，大多数在培养物中生长的动物细胞失去了它们正常的形态学、变成液泡样，尽管仔细的定量化分析已经证明：培养细胞仍然有确定的外形，所以它们在液泡样外形中只占了一部分。在三维培养物内生长细胞，将有助于研究培养物中更加多样性的细胞外形。

自由生存的单细胞生物体为研究总体细胞外形的发育问题提供了优秀的平台。它们倾向于拥有高度可繁殖的外形、有确定的几何结构，并且，因为它们经常生长于从其它天然细胞中分离出来的培养物中，这些细胞本身包含了产生这些外形必需的所有信息。长久以来，酵母一直被用作研究细胞外形的模式系统，而经典酵母遗传学及其系统敲除文库的应用，已经为细胞几何学研究提供了有力的工具。但是因为所有的酵母细胞或多或少地为鸡蛋外形，这种系统可以研究的外形范围是有限的。

原生生物纤毛虫为认识细胞外形的发育问题提供了独一无二的机会。这些单细胞生物体的表面被有序排列的纤毛所覆盖，而复杂模式的变化来源于细胞之间排列的微小变化。至少从视觉上来说，纤毛虫比常规的液泡样哺乳动物培养细胞更像人工机器。纤毛虫模式形成的最有吸引力特征之一是：它是自我繁殖的。如果细胞表面的一个区域被从纤毛虫外切出去，然后，旋转使纤毛排列面向另一个方向，并再次移植，这样，该细胞的后代将以纤毛排列旋转的模式遗传下去。有趣的是，仔细的实验排除了这种遗传性是由细胞基因组引起的可能性；相反，它似乎是由细胞器所确定的。这样的结构在细胞分裂期间指导它们自身的繁殖为细胞几何学问题创造了全新境界的复杂性，而且，我们目前在分子水平上几乎完全不认识：这样的结构遗传性是如何发生的。

巨纤毛虫类原生生物——喇叭虫，长度超过了1毫米，为纤毛虫模式形成提供了一个极端特殊的例子。这些单细胞生物体表面的纤毛有高度复杂的模式，它们引人注意的不仅仅是它们的大小和内部复杂性，还有它们的再生能力。如果用外科手术切除了喇叭虫的任何部分，那个特定的部分将在几个小时内再生。关于这样的细胞如何感知它自身一部分失去的、以及如何指导其失去的部分再生，其中的机制，仍然是一个自然之谜。

关于细胞几何学，还有许多问题需要我们的沉思和研究。鉴于细胞外形的研究不仅涉及生物化学和遗传学，还涉及物理学和数学，这个领域的发展日益需要高度的跨学科研究，将为融合物理、生物科学和应用数学于一体提供研究范例。

注：原文作者华莱士·F·马歇尔（Wallace F. Marshall）是旧金山加州大学生物化学和生物物理学系的副教授。尽管原来是一位电子工程师，他转而对细胞生物学感兴趣，有一种愿望，就是去认识细胞是如何解决复杂的工程学问题的，比如决定它们的亚结构的大小和外形。

原文来源（The Scientist）：

http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/38404/title/Taking-Shape/