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我们不知道答案的125个科学问题(69)生物尺度控制 精选

已有 4318 次阅读 2024-1-3 09:57 |个人分类:科学教育|系统分类:科普集锦

69. 生物体及其器官如何知道何时需要停止生长?

 How do organs and whole organisms know when to stop growing?

对于人类而言,新生儿从出生开始身体会快速增长,到断奶之后婴儿的生长开始变缓,进入一个相对稳定的生长期,一直持续到18岁左右,再经历一个更加缓慢的成熟阶段,最终达到成年的体型后停止生长。所以大多数成年人的身高都会处于本种族或民族的正态分布范围之内,即大多数人的身高处于中等水平,除去基因遗传因素,矮子和巨人的概率都非常低。

为什么人在到达一定尺寸后会停止成长? 是什么让人在到达正常尺寸之后停止生长?其实,不仅是人类,每种植物和动物都有自己相对正常的成年尺寸:红杉大约有80米高,灌木只有几米,猫大约在30公分左右,而老虎大部分可以长到2米。正因为在到达正常尺寸后所有的物种都会停止生长,才导致了它们具有大致相同的正常尺寸,即便是动物中的超级恐龙其体型就是再大也不会一直生长下去,即便是很小的微生物,它们也会在某个时候停止生长。

所以问题是:什么让生物体长到一定尺寸后就停止生长?我们自然能想到的原因一定是发生在细胞水平,应该是DNA里的某种基因控制了细胞的分裂过程从而阻止了个体的生长。虽然发育生物学家已经发现了几十种和动植物生长有重要关系的基因和蛋白,但对于DNA的编码而言,似乎没有哪种明显的编码机制可以让生物体感知自己或器官的尺寸,正在成长发育的器官和生物体到底是如何感知它们的大小并知道何时停止发育,这目前是一个谜。显然生物体生长到正常尺度时,应该是某种生长反馈机制让生物体停止了生长,那到底是什么感知机制导致了生物体对生长的控制?

1. 动物的基因振荡

总的来说,同一物种的个体都会长到相同的大小,这种体型上的一致性的确令人吃惊,因为发育过程和环境条件的内在随机性所导致的个体生长速度会对个体尺寸产生巨大影响。由于动物的生长通常是指数依赖的(细胞分裂是指数增长的),即使细胞分裂速度的微小差异也会扩大到生物体型上的巨大差异。然而,生物体如何确保它们都能达到正常的大小?

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图1 线虫的个体发育速度和最终的大小研究

2022年《自然通讯》发表了一个研究生物个体大小的工作(Nat Commun 13: 3132 2022)。研究人员在实验室里培养了大批线虫并观察它们的生长发育过程(见图1所示)。由于提供的食物、环境温度或生长空间等的差异,线虫的发育以不同的速度生长,而且这个10%的不同足以导致个体100%的大小差异。但随着时间的推移,无论线虫生长过程中的大小是多么不同,最终大多数线虫的大小都保持在该物种正常尺寸分布范围内。这个结果让他们提出所谓的基因转录振荡(transcriptional oscillator)机制。该机制认为基因虽然不能感知个体大小,但它会感知个体的生长速度(即基因转录的多少或快慢),从而相应调整个体的发育时间(发育时钟),因此生长缓慢的个体和生长迅速的个体最终都能达到同样的大小。转录振荡现象(transcriptional oscillation)普遍存在于生物体中,最著名的例子就是生物钟现象,它可以调控生物体与昼夜周期相匹配的活动。显然这个解释只触及了动物感知正确尺寸的问题表面,况且他们只观察了微小的无脊椎蠕虫,那对于蝾螈、长颈鹿、大猩猩、老鼠和蜥蜴等大型动物到底会不会这样并不清楚,所以该研究只给出了问题的一个方面。

无论如何,生物体的生长是为了适应其环境中可用的空间和资源,所以空间资源的不同可以导致物种种群中身体大小和形状的巨大多样性,而这个例子多发生在鱼类身上。在自然界中,有的鱼类,如果你给它足够的生长时间、空间和食物,那这种鱼似乎可以长到要多大有多大的地步,所以如果生物体存在这种基因调节机制,那此时这种机制如何控制个体生长?

2. 植物大小的基因控制

对于植物来说存在同样的问题:决定生物体能长到多大的遗传和生理机制是什么? 2022年发表在《发展》杂志上的研究工作(题目:CHIQUITA1维持了拟南芥增殖和分化之间的时间过渡,Development 149(11):dev200565)揭示了决定植物大小在细胞水平上的基因调节。研究小组在实验室中对常见植物拟南芥进行研究后发现了一种基因,这种基因可以控制细胞增殖到分化的转变时间,这种转变是造成植物最终尺寸的大小,他们将其命名为CHIQUITA1,并发现它是控制植物大小的基因家族的一部分。这种基因就像一个开关,可以阻止细胞的增殖过程,使它们更快分化成组织和器官。显然如果细胞在分化之前增殖的越多或长得越大,那么最终器官和个体的尺寸就会越大,显然这个蛋白可以明显控制细胞增殖和分化的这种转变。

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图2 控制拟南芥细胞增殖到分化的控制蛋白

同样这项研究依然只涉及了一种草本植物,对于树木、真菌、苔类植物、野花、农作物蔬菜等植物是不是也是如此,答案并不确定。他们的工作揭示了细胞增殖和器官尺寸之间的某种相互依赖性,但这项工作是在单细胞水平上完成的,不是在群体水平上完成的,所以关于植物生长控制的研究依然没能给出是什么机制控制细胞的生长和分裂。另一方面植物器官的大小不仅取决于细胞的多少,还取决于这些细胞有多大。一些发育中的器官可以通过使单个细胞变大来弥补可用细胞的减少。比如植物的叶子可以调整其细胞壁来增加细胞的大小,然而叶子是如何知道何时扩大细胞的机制也不清楚,植物不会计算细胞个数,但可以以某种方式评估叶子的整体大小,但其工作机制同样是一个谜。

3. 细菌细胞大小的蛋白质抑制

无论是动物还是植物,所有类型的细胞似乎都能“知道”它们应该长到多大,当它们达到那个确定大小时,它们就开始分裂成新的细胞。生物学家一直在寻找一种机制来解释是什么触发了细胞的分裂。除了研究动物和植物细胞之外,一些生物学家则将注意力集中到更小的生物细菌身上,他们希望从酵母细胞的细胞周期从中发现控制细胞大小的机制(题目:细胞周期抑制剂whi5的稀释控制发芽酵母细胞的大小,Nature, 526: 268-272, 2015)。研究人员发现细胞的大小会影响细胞的分裂,所以他们通过控制酵母细胞的大小来控制细胞周期,即控制细胞何时开始复制DNA,让细胞从间期向分裂期转变(G1/S转变)。他们发现了一种叫做Cln3的蛋白质,它是导致细胞G1/S转变并分裂成两个细胞的第一种蛋白质。但研究发现,Cln3的浓度在细胞生长过程中没有明显的变化,这是个令人费解的发现,因为所有已知的生物途径都是由某种分子的变化或刺激引起的连锁反应(多米诺骨牌效应)。传统上,信号通路是通过刺激通路起始部分的第一块骨牌,然后以连锁反应的方式将信息传递下去,从而发挥作用。他们据此在多米诺骨牌中找到了whi5,一种位于通路中间的蛋白质,并确定它才是多米诺机制中第一个倒下的骨牌。

所以故事是这样的,随着细胞的生长,细胞产生足够的Cln3蛋白质,以保持它的浓度恒定以维持细胞生长,而whi5的浓度开始时很高,随着细胞生长变大,whi5浓度不断被稀释,从而触发了所谓的“稀释-抑制”机制,即细胞稀释出细胞分裂的抑制剂。为了测试whi5是否以某种方式从通路的中间影响细胞大小,研究团队选择性地上下调节其浓度,并使所有其他蛋白质保持正常。研究人员发现通过将其浓度降低到一定水平,就能迫使细胞以比平时更小的尺寸就开始分裂。相反提高wh5浓度可以使细胞在分裂前比正常细胞长得更大。

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图3 酵母细胞大小的蛋白控制机制

这项关于酵母细胞的工作具有一定的启发性,通过对细胞大小和几何形状等因素如何影响信号传导途径,来发现一些关键蛋白浓度随着细胞生长而变化,可以为理解细胞控制分裂提供一个很好的参考。例如,某些疾病可以从中间环节控制细胞的生长过程,一个典型的例子就是癌细胞的快速生长和增殖过程。

4. 器官和个体尺寸的控制关系

事实上生物体内部的各种器官的结构也存在某种记忆机制让其长到正常尺寸后停止生长。生物界有一种很小的鱼称为微鲤鱼(Paedocypris),它只有7毫米长,相比9米长的鲸鲨简直微不足道。但这种小鱼与鲸鲨有非常相似的基因和内部器官,它的背鳍和尾鳍、鳃、胃和心脏等器官比鲸鲨小几千倍,如同袖珍的鲸鲨一样。问题是这种微型鱼的器官和组织是如何被控制尺寸的,为什么它们不能生长到像鲸鲨器官一样大的尺寸?是什么让生物体内部器官知道自己达到了某种尺度而停止生长?

显然生物体器官和组织的大小同样存在被控制的内在机制,它与生物体个体大小的控制机制相同吗?一个最为直观的想法是器官的大小限制来源于生物个体尺寸的限制,如果真是这样,那器官是如何根据个体的尺寸改变其大小的?

然而事情并非那样简单。20世纪20年代,生物学家通过一列移植手术从一个物种的胚胎中转移器官和四肢的基本组织到其他近亲物种的胚胎中来研究器官的发育过程。1931年耶鲁大学的动物学家们将大型蝾螈(Ambystoma tigrinum)和较小型物种(Ambystoma punctatum)组织相互移植到对方胚胎中,发现小蝾螈的腿比正常的长,而大蝾螈的腿会比正常的小(如图4所示)。这个实验表明:决定肢体尺寸大小的是腿部内在的某种东西,而不是来自身体其他部位的信号,也不是来自个体!

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图4 互相移植后器官的大小和个体大小无关

发育生物学家通过在成年果蝇腹部移植幼虫的器官胚芽(一种已经开始分化为器官细胞的干细胞,不同的胚芽将发育成不同的器官,如翅膀、四肢、眼睛、触角等等),发现无论这个器官胚芽在成年果蝇身体内停留多长时间,在它被移回幼虫体内后依然能正常发育成相应的器官组织,无论怎样改变移植时间,造成移植翅膀胚芽的生长时间如何地不同,昆虫翅膀的发育都能达到正常大小;即便用辐射或其他技术杀死一部分器官胚芽中的细胞,昆虫依然可以通过促进细胞分裂,最后形成正常大小的组织;如果果蝇只接受了器官胚芽的一部分移植,在器官胚芽达到正确的大小之前,果蝇不会进入下一个发育阶段。各种各样的实验都表明,无论是器官胚芽组织的大小,还是它们所形成的器官发育,似乎都受到了生物体非常严格的控制;同样科学家们通过改变器官胚芽细胞分裂的速度,促使其形成过多或不足的细胞,但细胞的大小会被调整,因此器官大小依然保持不变。显然,器官是不会自己计算细胞分裂次数的,但它到底能感知什么?生物体和器官感知大小虽然不直接来源于DNA的编码,但应该来源于DNA中可以制造调整细胞分裂蛋白质的某种基因。

生物体感知大小的一种基因是它能合成一种名为Hippo的蛋白质,它是一系列生物信号传递的一部分,这些信号在昆虫器官胚芽和一些哺乳动物器官的生长中起着重要作用。科学家发现调整该蛋白导致信号通路的中断可以造成器官的过度生长,这表明它在控制大小方面起着一定的作用。虽然我们知道信号通路被中断时会发生不正常的现象,但当它正常工作时,它到底是怎么做的。当然它不是生物尺寸控制唯一的基因。

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图5 细胞Dpp浓度梯度控制细胞组织大小的机制

另一组和生物体尺寸感知有关的基因是被用来合成称为形态素(morphogens)的蛋白质。这种蛋白质分子产生于胚胎中的某个单个区域,产生后它会在细胞间扩散传播,形成一种形态素浓度的梯度分布。当形态素的浓度梯度很大时,器官组织不同细胞间浓度差别很大时,细胞就会继续分裂。每一次细胞分裂其梯度都将变得平缓,当梯度变平到一定水平,细胞的分裂就会停止。2022年一个多学科团队在《自然》杂志上发表文章(Nature 602, 287–293 2022)声称找到了一种称为生长因子(Dpp:decapentaplegic)的物质,他们用定量显微镜技术非常精确地跟踪组织细胞内和细胞之间Dpp分子的分布变化,包括Dpp的产生、扩散、输运和转移等等。通过跟踪果蝇不同大小组织细胞中特定形态的Dpp,验证了Dpp机制可能是生物体尺寸控制方面的一个普遍机制。在果蝇中,Dpp是形成果蝇翅膀、触角、下颚等十几种附属物所必需的分子,Dpp会从发育组织的局部产生并向外扩散,随着Dpp远离来源而形成浓度递减的梯度变化,而Dpp的浓度梯度会根据发育组织的大小扩大或缩小区域。因此,组织越小,Dpp梯度扩散的范围越小,组织越大,Dpp梯度的分布也越大。科学家们收集了来自正常果蝇和变异果蝇不同大小组织细胞所有关于Dpp变化的数据,发现小组织中,Dpp分子主要通过细胞间的扩散传播来形成梯度分布。由于降解过程,Dpp浓度在源周围会迅速下降,产生一个很窄的梯度分布区域。而在较大的组织中,进入细胞内的Dpp分子会被高度回收,从而可以在更大的区域上扩展Dpp梯度。然而故事结局还有其他的解释。

另外的研究表明,细胞方向感知基因所产生的平面细胞极性(PCP:Planar cell polarity,平面细胞极性,它是将细胞组织在器官平面上的极性轴,PCP在多细胞动物中是保持恒定,对正常发育和组织稳定至关重要,可参考Nature Reviews Molecular Cell Biology, 18: 375–388 2017)蛋白可以用来控制生长。当参与细胞平面极性基因被破坏或缺失时,身体的某些部位往往会变大,这表明它们丧失了感知何时应该停止生长的能力,所以极性平面基因中的一些可以作为肿瘤抑制因子并不是巧合。而此外的一些研究人员怀疑,正在发育的器官在某种程度上能够感受施加在其生长和分裂细胞上的机械力,如它对细胞相对拥挤和伸展的感知也有助于决定细胞是继续分裂还是停止分裂。

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图6 生物个体大小调控的外部环境因素

生物器官和最终个体的大小,无论其基因调控的内在机制如何复杂,不同生物个体和器官的差异性显然来自于其对生存环境的信号感知,研究人员称之为外在因素。这些个体大小的外在控制因素与帮助确保生物体正确比例的内在机制相连,但又非常不同。植物的生长对外部因素尤其敏感,因为它们不能通过移动来选择环境。例如,在阴凉处生长的植物专注于茎的生长,以接触太阳,而不是叶子的发育。在动物中,可获取的食物营养的数量也可以强烈地影响某些器官的最终大小。虽然以上广泛的科普介绍了很多相关的研究结果,但生物和器官的尺寸控制仍然还是一个基本问题,这个科学问题至今依然没有一个简单而统一的答案,它仍是生物学领域一个未解之谜。



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