通過(guò)自噬調(diào)節(jié)細(xì)胞大小的研究

人是由 1013-1014 個(gè)細(xì)胞組成的，這些細(xì)胞分為 200 種不同類型，能夠發(fā)揮各種不同的功能。細(xì)胞的形狀和大小各不相同，紅細(xì)胞直徑為 7-8 µm，巨核細(xì)胞直徑為 40 µm，女性卵細(xì)胞直徑約為 120 µm。不死癌細(xì)胞的體積從 500 µm3 到 4000 µm3 不等，最多可相差八倍，大多數(shù)在 2000 µm3 左右。例如，在 HeLa 細(xì)胞系中，細(xì)胞可在低匯合度環(huán)境中稀疏擴(kuò)散，直徑約為 40 µm。然而，當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)到充盈期時(shí)，直徑會(huì)減小到 20 µm。哈佛醫(yī)學(xué)院的 Tzur 博士及其同事利用小鼠淋巴母細(xì)胞系證明，細(xì)胞大小分布的中心約為 1000 µm3，方差約為 300 µm3。他們利用一個(gè)新穎的數(shù)學(xué)模型確定，在整個(gè)細(xì)胞周期中，生長(zhǎng)速度與大小有關(guān)。他們還得出結(jié)論，雖然大小依賴性生長(zhǎng)可能會(huì)產(chǎn)生不利的影響，但在發(fā)育或生理限制的影響下，內(nèi)在機(jī)制可能會(huì)調(diào)節(jié)設(shè)定大小和限制大小的變化。

營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、生長(zhǎng)因子信號(hào)、大分子和細(xì)胞器的更替都會(huì)影響細(xì)胞的生長(zhǎng)速度和增殖，生理水平的自噬可減緩衰老并促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。相反，異常水平的自噬則會(huì)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，加劇細(xì)胞凋亡或壞死。由于自噬具有維持平衡和回收物質(zhì)的功能，因此對(duì)細(xì)胞的存活至關(guān)重要。Hosokawa 等人在2006 年的研究結(jié)果表明，自噬缺陷的小鼠成纖維細(xì)胞在饑餓狀態(tài)下無(wú)法縮小體積。由此，作者推測(cè)，自噬與細(xì)胞的大小密切相關(guān)。此后，又有多項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究證明了兩者之間的聯(lián)系。然而，人們對(duì)與細(xì)胞大小變化相關(guān)的實(shí)際細(xì)胞組成以及如何調(diào)節(jié)細(xì)胞大小平衡仍知之甚少。

鄧迪大學(xué)的 Miettinen 博士和 Björklund 博士致力于研究控制細(xì)胞大小的相關(guān)機(jī)制，他們利用Enzo的 SCREEN-WELL® FDA-approved drug library（BML-2843-0100），研究了 786 種 FDA 批準(zhǔn)化合物對(duì) Jurkat T 細(xì)胞大小和增殖的影響。最終，在排名前 25 位的藥物中，他們發(fā)現(xiàn)了兩種屬于他汀類藥物的甲羥戊酸通路抑制劑。作者發(fā)現(xiàn)，除了親水性最強(qiáng)、滲透性最弱的他汀類藥物外，所有他汀類藥物都能增大細(xì)胞體積和減緩細(xì)胞增殖。同時(shí)，他們?cè)诙喾N細(xì)胞系中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，包括人類 U2OS 骨肉瘤細(xì)胞、胚胎果蠅 Kc167、永生化小鼠胚胎成纖維細(xì)胞和人類臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞。在從膽固醇合成到生長(zhǎng)控制的多個(gè)細(xì)胞過(guò)程中，甲羥戊酸途徑發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過(guò)系統(tǒng)地抑制甲羥戊酸通路和挽救抑制事件，他們證明了通過(guò) RAB11 及其結(jié)合的植物生長(zhǎng)素�；�蛋白直接參與了細(xì)胞大小平衡，并認(rèn)為這是甲羥戊酸通路與細(xì)胞大小之間的關(guān)鍵聯(lián)系。

研究人員注意到，他汀類藥物處理過(guò)的細(xì)胞中蛋白質(zhì)密度明顯增加，這與之前他汀類藥物抑制蛋白質(zhì)生成的研究結(jié)果截然不同。利用Enzo的 CYTO-ID® Autophagy detection kit （ENZ-51031-0050）和 PROTEOSTAT® Aggresome detection kit（ENZ-51035-0025），他們確定生理水平的自噬依賴于RAB11對(duì)蛋白質(zhì)的香葉基香葉基化（geranylgeranylation），而使用他汀類藥物處理細(xì)胞會(huì)抑制自噬，導(dǎo)致蛋白質(zhì)密度激增和蛋白質(zhì)聚集體積累。因此，甲羥戊酸途徑不僅在細(xì)胞大小平衡中起著關(guān)鍵作用，而且還通過(guò)自噬過(guò)程在蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。綜上所述，這些結(jié)果凸顯了蛋白質(zhì)合成和蛋白質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)在細(xì)胞大小變化中的重要性。

參考文獻(xiàn)：

1.Tzur, et al. Cell growth and size homeostasis in proliferating animal cells. Science. (2009) 325: 167.

2.N. Hosokawa, et al.. Generation of cell lines with tetracycline-regulated autophagy and a role for autophagy in controlling cell size. FEBS Lett. (2006) 581: 2623.

3.T.P. Miettinen and M. Björklund (2015) Mevalonate pathway regulates cell size homeostasis and proteostasis through autophagy. Cell Rep. (2015) 13: 2610.