绿藻如何计算细胞分裂阐明多细胞生命进化所需的关键步骤

由唐纳德·丹福斯植物科学中心成员JamesUmen博士领导的国际研究小组意外发现了单细胞绿藻衣藻用来控制细胞分裂的有偏计数机制。衣藻细胞可以生长得很大，然后连续分裂多次。

研究小组发现，母细胞将其子细胞恢复到正确的起始大小所需的分裂次数偏离了假定决定该过程的数学最佳值。相反，母细胞几乎从来不会只分裂一次——它们要么根本不分裂，要么分裂两次或更多次。

这种针对单一分裂的意外偏见对于理解多细胞生命的进化具有重要意义，并为改造藻类细胞以提高生物燃料和高价值产品的产量提供了新途径。描述这些发现的文章题为“多重裂变藻莱茵衣藻尺寸控制的细胞模型”，发表在《当代生物学》杂志上。

与许多其他藻类和单细胞原生生物一样，衣藻细胞在分裂之前可以长得很大。这种非典型的生长和分裂模式使它们能够最佳地利用光和营养，但也产生了大小控制的问题：在某些条件下，细胞在分裂之前几乎不会增加两倍大小，并且只需要分裂一次;但在有利的条件下，同一个细胞可能会生长到其起始大小的十倍以上，并且需要连续多次分裂才能产生正确大小的子细胞。

这种大小变异性提出了一个难题，通过衣藻中一种机制的进化解决了这个难题，该机制使细胞能够评估其大小并计算出正确的细胞分裂次数。“人们总是认为分裂模式是由母细胞大小和分裂次数之间的简单关系决定的，而假设这种简单关系的模型可以准确预测整个细胞群的行为，”Umen说。

“但是通过观察数千个不同大小的单个细胞的分裂行为，我们发现只分裂一次的细胞出乎意料地缺乏。”相反，原本应该分裂的细胞选择根本不分裂，而且大多数细胞只有在体积增加一倍以上时才能够分裂。

面对这一意外结果，团队成员特拉华大学教授AbhyudaiSingh博士和哥伦比亚波哥大AGROSAVIA-Corporacióncolombianadeinvestigaciónagropecuaria分析团队负责人CésarAugustoVargas-García博士使用了数学模型为细胞的行为提出了更准确的预测模型，而丹福斯中心的研究小组在博士后刘殿义博士的带领下，深入研究了产生所观察到的结果的遗传机制。计数偏差。

研究小组发现，在藻类、植物和人类中发现的一种众所周知但仍知之甚少的控制细胞分裂的遗传机制——称为视网膜母细胞瘤肿瘤抑制途径——在阻止细胞分裂方面发挥着关键作用。

“虽然我们刚刚开始了解视网膜母细胞瘤途径如何在藻类中发挥作用，但在细胞分裂行为中引入偏差的机制的发现立即表明细胞改变其分裂行为的方式是多细胞生命进化的重要一步”，刘说。

衣藻的多细胞亲属不仅跳过一次分裂的选择，而且可以阻止分裂，直到它们的体积增长许多倍。这使得单个细胞能够快速产生具有数百甚至数千个细胞的全新多细胞个体，这种能力对于健康和生存至关重要。

“我们在衣藻中观察到的针对一种分裂的偏见很可能存在于其多细胞亲属的直系祖先中，并且随着它们进化出更大的尺寸和复杂性而进一步放大，”Umen推测。虽然目前还不清楚为什么细胞会进化出一次不分裂的倾向，但这种机制及其遗传控制的知识在藻类生物技术中具有实际意义，其中细胞大小可以影响高价值产品的产量，甚至影响滤食性藻类捕食的敏感性在开放池塘养殖中。

展望未来，该团队现在专注于了解和模拟视网膜母细胞瘤途径用于改变藻类细胞分裂行为的具体机制，这些工作可能会导致藻类生物技术的进步，甚至揭示视网膜母细胞瘤途径如何阻止人类细胞发展癌症并防止植物细胞在错误的时间和地点分裂。