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科学探索

 
 
 

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单细胞水平上的新陈代谢和生长是随机的   

2014-09-07 03:31:19|  分类: 生命医学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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FOM研究所AMOLF的研究人员已发现,新陈代谢,即细胞中将分子转变的过程,是不定期发生的。


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分子波动被可视化为颜色变化,并且细胞大小(左侧图像)变化作为生长。使用遗传学和图像分析,这可能根据细胞的代谢活动(右侧图像)来分类。
 

  分子波动被可视化为颜色变化,并且细胞大小(左侧图像)变化作为生长。使用遗传学和图像分析,这可能根据细胞的代谢活动(右侧图像)来分类。(图片来源:Daan Kiviet & Sander Tans)

 

  FOM研究所AMOLF的研究人员已发现,新陈代谢,即细胞中将分子转变的过程,是不定期发生的。因为新陈代谢是驱动细胞中的所有生物学活性的马达,所以这种不稳定性在疾病中(诸如癌症)起到一个作用。研究人员将这项研究发表于2014年9月3日的《Nature》杂志上。

  活细胞是个化学工厂,它在不断地工作。细胞吸收糖类,如葡萄糖,然后将其分解成小分子,并使用这些小分子来组装DNA,蛋白质,细胞膜和驱动工厂的能量分子。这种循序渐进的过程,被称为新陈代谢,使得细胞能够执行各种功能,还包括了生长和繁殖,并因此创建整个身体。

  直至现在,科学家仍然认为,细胞工厂一直以一种规律性的方式在工作,因为它们有充足的糖、其他营养分子和这么多的细胞组成分子供应,而且分子的随机运动可以忽略不计。“这是一个不错的想法,因为即使代谢具有规律性和恒定的,但这仍然难以理解无数的反应是如何相互影响的,” 这项研究的领导者Sander Tans教授说。然而,他的研究小组发现,细胞的代谢活动以一个不可预知的方式在波动,这使得细胞工厂的运作变得更加复杂。

  接力赛

  研究人员根据两个聪明的选择得出结论。首先,他们同时放大细胞工厂的单一反应,例如糖分解步骤。通过将促进该反应的酶与荧光蛋白结合,他们可以同时记录酶的量和反应速度。此外,物理学家开发出一种新的,自动化的显微镜技术,来跟踪单个大肠杆菌细胞在生长和繁殖期间的生长速率。

  研究人员发现,酶生产的随机波动随后导致大肠杆菌细胞中的生长速率的变化。因此,酶数量的一个变化可导致分解反应的速率发生变化,并且这些波动反应被一步一步地传递给所有的后续反应,就像接力赛的一个接力棒,最终细胞的生长被打乱。

  根据Tans,这是研究人员首次研究了代谢的动力学和稳定性。这一发现引发了一系列有趣的问题。Tans说:“生物生长似乎远远比人们以前认为的更加混乱。这点与经济增长类似,这种不可预知的波动是家常便饭。难道细胞工作积极性在一定程度上限制了混乱?如果是这样子,那么会怎么样?为什么进化没有能够完全抑制这种混乱,让所有的细胞总是可以快速成长?最后,代谢变化是否在具有不规则生长特性的疾病中发挥作用,例如癌症?”(来源:生物帮)


  原文摘要:

Stochasticity of metabolism and growth at the single-cell level

Daniel J. Kiviet, Philippe Nghe, Noreen Walker, Sarah Boulineau, Vanda Sunderlikova &Sander J. Tans

  Elucidating the role of molecular stochasticity in cellular growth is central to understanding phenotypic heterogeneity and the stability of cellular proliferation. The inherent stochasticity of metabolic reaction events should have negligible effect, because of averaging over the many reaction events contributing to growth. Indeed, metabolism and growth are often considered to be constant for fixed conditions. Stochastic fluctuations in the expression level of metabolic enzymes could produce variations in the reactions they catalyse. However, whether such molecular fluctuations can affect growth is unclear, given the various stabilizing regulatory mechanisms, the slow adjustment of key cellular components such as ribosomes, and the secretion and buffering of excess metabolites. Here we use time-lapse microscopy to measure fluctuations in the instantaneous growth rate of single cells of Escherichia coli, and quantify time-resolved cross-correlations with the expression of lac genes and enzymes in central metabolism. We show that expression fluctuations of catabolically active enzymes can propagate and cause growth fluctuations, with transmission depending on the limitation of the enzyme to growth. Conversely, growth fluctuations propagate back to perturb expression. Accordingly, enzymes were found to transmit noise to other unrelated genes via growth. Homeostasis is promoted by a noise-cancelling mechanism that exploits fluctuations in the dilution of proteins by cell-volume expansion. The results indicate that molecular noise is propagated not only by regulatory proteins but also by metabolic reactions. They also suggest that cellular metabolism is inherently stochastic, and a generic source of phenotypic heterogeneity.

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