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果蠅傷口周圍含有多個(gè)細(xì)胞核的巨型多倍體細(xì)胞

2008年，維姬 ? 洛西克（Vicki Losick）獲得博士學(xué)位后加入了卡內(nèi)基科學(xué)研究所的一個(gè)果蠅實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人希望他的博士后們能夠在新的領(lǐng)域開展研究。洛西克選擇了當(dāng)時(shí)流行的研究熱點(diǎn)：干細(xì)胞。這是一類具有多種功能的細(xì)胞，能夠分化成為其他種類的細(xì)胞，在胚胎發(fā)育和成體組織更新中起到關(guān)鍵作用。洛西克對(duì)干細(xì)胞是否能夠修復(fù)受傷的組織感到好奇。于是，她和另一個(gè)博士后唐 ? 福克斯（Don Fox）開始用小針刺傷果蠅，希望記錄下干細(xì)胞修復(fù)傷口的過程。

而這兩位博士后各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，傷口周圍的其他細(xì)胞出現(xiàn)了奇特的行為。這些細(xì)胞生長(zhǎng)并復(fù)制DNA準(zhǔn)備進(jìn)一步分裂。接著它們停了下來(lái)，維持一種增大的單個(gè)細(xì)胞狀態(tài)，內(nèi)含多份基因組的拷貝?，F(xiàn)任職于波士頓大學(xué)的洛西克回憶道：“我當(dāng)時(shí)相當(dāng)震驚?！?/p>

當(dāng)洛西克和?？怂箮滋旌笥^察果蠅的傷口時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這些所謂的“多倍體細(xì)胞”才是治療傷口的主要細(xì)胞，而非干細(xì)胞。在針刺的部位，具有多個(gè)細(xì)胞核的巨型細(xì)胞快速封閉了傷口。?？怂够貞浀溃骸拔覀兺瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，并且干細(xì)胞和它無(wú)關(guān)?！?/p>

此后，兩位科學(xué)家對(duì)多倍體細(xì)胞的興趣不斷增長(zhǎng)。大多數(shù)的植物和動(dòng)物細(xì)胞都是二倍體，它們的基因組由來(lái)自父母的兩組染色體組成。多倍體細(xì)胞則有一組或多組額外的染色體，這曾經(jīng)被認(rèn)為是有害的異?，F(xiàn)象，因助長(zhǎng)癌癥發(fā)展而臭名昭著。但現(xiàn)在，洛西克表示，多倍體在果蠅中廣泛存在，“我認(rèn)為人體中也是如此”。事實(shí)上，有數(shù)據(jù)顯示成年人類心臟中有80%的細(xì)胞是多倍體狀態(tài)，而出生時(shí)這一數(shù)值是零。

當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)多倍體細(xì)胞相當(dāng)普遍，而且似乎至關(guān)重要，這一曾經(jīng)鮮為人知的話題立刻吸引了癌癥研究人員、發(fā)育生物學(xué)家、演化生物學(xué)家、細(xì)胞生物學(xué)家和農(nóng)業(yè)科學(xué)家。2023年5月，大約150名研究者在佛羅里達(dá)州齊聚一堂參加了洛西克參與組織的“生命之樹中的多倍體”會(huì)議，這些看似毫不相干領(lǐng)域的科學(xué)家們交流了信息。匹茲堡大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家夏瑪 ? 南達(dá)庫(kù)瑪（Shyama Nandakumar）說：“簡(jiǎn)直難以置信，我們有如此多交叉的研究興趣?！?/p>

癌細(xì)胞中的巨大細(xì)胞核具有多組染色體，有利于腫瘤生存

研究結(jié)果顯示有多個(gè)基因會(huì)天然驅(qū)動(dòng)多倍體的產(chǎn)生，證明這并非是細(xì)胞中的意外事件。研究人員找到線索表明，多倍體細(xì)胞能夠?qū)闹参锛?xì)胞到心臟等組織的發(fā)育起到關(guān)鍵作用。同時(shí)不斷有證據(jù)表明，多倍體細(xì)胞在各類組織和器官中都起到應(yīng)對(duì)應(yīng)激的重要作用，從受傷的果蠅，到損傷和疾病狀態(tài)下的人類肺臟、肝臟和腎臟。目前供職于杜克大學(xué)的?？怂怪赋?，多倍體細(xì)胞“是干細(xì)胞的代替選擇”。

多倍體可能不只是有機(jī)體個(gè)體的一種應(yīng)對(duì)方式，而是物種層面的行為。大約30%的植物是完全的多倍體生物，這意味著其所有細(xì)胞的染色體數(shù)量都是其祖先的兩倍或更多。一小部分動(dòng)物也是如此，譬如一些火蠑螈。演化生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)多倍體有機(jī)體比對(duì)應(yīng)的二倍體往往具有競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，這令人疑惑該遺傳特征為何能夠持續(xù)存在。研究人員確定了基因組復(fù)制的過程大約發(fā)生在數(shù)百萬(wàn)年前，于是提出一種可能假設(shè)：多倍體或能夠幫助物種平安度過災(zāi)難性的環(huán)境變化。從各種空間和時(shí)間尺度來(lái)看，多倍體都是一種“損傷響應(yīng)”，佛羅里達(dá)大學(xué)的植物演化生物學(xué)家道格拉斯 ? 索爾蒂斯（Douglas Soltis）認(rèn)為，“這是一個(gè)至關(guān)重要的演化事件，卻沒人關(guān)注”。

科學(xué)家在近一個(gè)世紀(jì)中發(fā)現(xiàn)多倍體細(xì)胞會(huì)由多種方式出現(xiàn)。一種情況是細(xì)胞分裂過程在中途被打斷，復(fù)制的DNA被留在了親代細(xì)胞中，并沒有進(jìn)一步分裂成子細(xì)胞。另一種可能是多個(gè)細(xì)胞融合成具有多個(gè)細(xì)胞核的單個(gè)細(xì)胞。無(wú)論如何，結(jié)果都是產(chǎn)生了更大的細(xì)胞。洛西克說：“（細(xì)胞）通過變?yōu)槎啾扼w，改變了物理特性?！?/p>

這種細(xì)胞有時(shí)會(huì)帶來(lái)危害，協(xié)助癌癥進(jìn)展或抵抗放化療。多倍體細(xì)胞同樣在特定情況下會(huì)損害腎臟或肝臟。但洛西克和?？怂乖谑軅壷械难芯堪l(fā)現(xiàn)了多倍體細(xì)胞的另一功能。在二人查閱科學(xué)文獻(xiàn)尋找類似結(jié)果時(shí)，他們得知其他的研究團(tuán)隊(duì)在疾病或應(yīng)激狀態(tài)的組織中發(fā)現(xiàn)了多倍體細(xì)胞，這些受傷的器官組織包括肝臟。因此二人計(jì)劃進(jìn)一步研究他們的果蠅系統(tǒng)。他們發(fā)現(xiàn)多倍體細(xì)胞的數(shù)量以及單個(gè)細(xì)胞中細(xì)胞核和基因組的數(shù)量不盡相同，取決于損傷尺寸等各種因素。

最重要的是，當(dāng)二人通過操縱染色體復(fù)制或細(xì)胞融合所必要的基因以抑制多倍體細(xì)胞生成時(shí)，傷口便難以愈合。在卡內(nèi)基研究小組2013年報(bào)道他們的結(jié)果前，一位杜蘭大學(xué)的果蠅生物學(xué)家鄧武民已經(jīng)報(bào)告了果蠅卵巢損傷后也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。?？怂怪赋?，這些研究標(biāo)志著“再生生物學(xué)的新前沿”。

?？怂埂⒙逦骺说热艘灿涗浟思?xì)胞如何促進(jìn)愈合。果蠅中，一些巨型細(xì)胞會(huì)很快填補(bǔ)損傷產(chǎn)生的空隙，由于它們具有各種基因的多份拷貝，能夠產(chǎn)生額外的蛋白質(zhì)幫助加速修復(fù)過程。舉例來(lái)說，當(dāng)針刺破壞了肌肉，這些細(xì)胞就能夠產(chǎn)生肌球蛋白，這種蛋白質(zhì)參與肌肉的收縮。洛西克認(rèn)為，多倍體細(xì)胞額外的DNA可能也讓它們能夠抵御損傷所致炎癥對(duì)DNA的破壞，這種炎癥通常會(huì)導(dǎo)致二倍體細(xì)胞死亡，而恢復(fù)能力下降。

類似的過程同樣發(fā)生在毒素?fù)p傷的小鼠腎臟，以及遭受脫水、創(chuàng)傷、感染或其他應(yīng)激刺激下的人類腎臟中。在5月的會(huì)議上，佛羅倫薩大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家萊蒂齊亞 ? 德契拉（Letizia De Chiara）報(bào)告稱，她和佛羅倫薩的腎病學(xué)家保拉 ? 羅馬尼亞尼（Paola Romagnani）觀察到大量新產(chǎn)生的巨大多倍體細(xì)胞會(huì)迅速充滿小鼠腎臟的損傷部位，并恢復(fù)腎功能。她和同事也研究了腎臟器官慢性衰竭的人類患者的活檢結(jié)果，發(fā)現(xiàn)腎臟中充滿了多倍體細(xì)胞。她同時(shí)在會(huì)議上報(bào)告稱，對(duì)于從急性腎損傷中恢復(fù)的患者來(lái)說，這類細(xì)胞的數(shù)量會(huì)隨著時(shí)間逐漸下降。

一旦多倍體細(xì)胞完成損傷的控制工作后便會(huì)停下，因?yàn)檫@種尺寸過大的細(xì)胞一旦累積起來(lái)可能會(huì)有害。佛羅倫薩的研究小組2022年報(bào)告稱，它們可能會(huì)導(dǎo)致瘢痕和慢性腎臟衰竭。但洛西克的研究生盧瓦塞勒 ? 岡薩雷斯（Loiselle Gonzalez）發(fā)現(xiàn)特定的瘢痕本身能夠控制這種細(xì)胞的數(shù)量。她在5月的會(huì)議上報(bào)告稱，在受傷果蠅中阻斷瘢痕形成過程后，多倍體細(xì)胞會(huì)繼續(xù)形成，而傷口也不會(huì)完全關(guān)閉愈合。洛西克說：“包括纖維化在內(nèi)的瘢痕樣組織對(duì)于限制多倍體而言或許是必要的?！?/p>

洛西克鑒定出一種能夠控制果蠅多倍體形成的蛋白質(zhì)：它是哺乳動(dòng)物中分子YAP1（yes1相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）在果蠅中對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)。YAP1參與調(diào)控控制器官尺寸的基因。研究證實(shí)它可以刺激昆蟲傷口愈合過程中多倍體的形成，并在其活性下降時(shí)起到控制作用。佛羅倫薩的研究小組發(fā)現(xiàn)YAP1在小鼠腎臟中有相同的作用。羅馬尼亞尼表示：“令人驚奇的是，我們?cè)诠墸ǜ共浚┖筒溉閯?dòng)物腎臟中看到了非常相似的結(jié)果?！?/p>

德契拉表示，小鼠的研究表明在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)抑制YAP1能夠減少受損的腎臟形成有害瘢痕組織的風(fēng)險(xiǎn)。她和同事在動(dòng)物模型中探索這種可能性。一些生物技術(shù)公司正基于YAP1通路開發(fā)其他用途的藥物，也許這種方式也能夠用于防止多倍體形成造成的有害結(jié)果。

靶向多倍體細(xì)胞的藥物或許也能夠用于對(duì)抗其最危險(xiǎn)的作用：使癌細(xì)胞產(chǎn)生抵抗治療的能力。在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞中，會(huì)有一部分細(xì)胞轉(zhuǎn)化為不再分裂的巨型多倍體細(xì)胞，它們額外的基因組材料使其對(duì)化療或放療產(chǎn)生抵抗能力。這些細(xì)胞同樣具有物理特性，它們的運(yùn)動(dòng)能力和伸縮性都有所增強(qiáng)，這增加了它們離開腫瘤部位并定殖于其他身體位置的能力，約翰 ? 霍普金斯醫(yī)學(xué)院的研究人員2022年在《生物學(xué)檔案》（bioRxiv）上發(fā)表了這一結(jié)論。

受傷前的果蠅腹部細(xì)胞呈現(xiàn)出均一的尺寸，排列整齊（左），但受傷后細(xì)胞會(huì)融合成具有多個(gè)細(xì)胞核的巨型細(xì)胞（右）

另一個(gè)霍普金斯的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種多蛋白復(fù)合物，似乎對(duì)細(xì)胞的恢復(fù)力起到關(guān)鍵作用。當(dāng)他們抑制多倍體細(xì)胞中該復(fù)合物的一個(gè)組成部分——CDK9蛋白時(shí)，這些細(xì)胞不再對(duì)抗癌藥物具有抗性，他們?cè)跁?huì)議中報(bào)告道，這意味著耐藥癌癥可能具有這一弱點(diǎn)，值得進(jìn)一步探究。

似乎多倍體細(xì)胞在受損或應(yīng)激組織中是一個(gè)受到歡迎的短期訪客，而在癌癥中是一個(gè)長(zhǎng)期逗留的危險(xiǎn)人物，那么為什么多倍體能夠持續(xù)存在，且?guī)缀醮嬖谟谄┤缧←湣⒉葺透收岬纫恍┪锓N的幾乎所有細(xì)胞中呢？這些物種多數(shù)都曾經(jīng)歷過兩個(gè)或更多種的親緣物種間的雜交繁殖過程，它們的基因組因此聯(lián)合在了一起，而沒有回到二倍體的狀態(tài)。有時(shí)這些聯(lián)合的基因組會(huì)再次復(fù)制——像是小麥具有六組染色體，而草莓有八組。多次拷貝復(fù)制成長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)必要的關(guān)鍵基因能夠形成更密集的谷穗、更大的果實(shí)和更高、更甜的莖稈。

這些特征對(duì)人類消費(fèi)者而言是極好的，但對(duì)植物而言，“幾乎絕大多數(shù)全基因組復(fù)制現(xiàn)象實(shí)際上是適應(yīng)不良?！备卮髮W(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家伊夫 ? 范德皮爾（Yves Van de Peer）評(píng)價(jià)道，譬如說，多倍體植物相對(duì)于二倍體植物需要更多的營(yíng)養(yǎng)，生長(zhǎng)速度也更慢。但這種特征能夠持續(xù)下去，范德皮爾相信答案在于抵抗應(yīng)激這一點(diǎn)。

他和同事開始研究植物物種基因組發(fā)生復(fù)制的時(shí)機(jī)，探索其中是否具有一定的規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)許多復(fù)制發(fā)生于6 600萬(wàn)年前，正好是小行星撞擊地球并引發(fā)大規(guī)模滅絕的時(shí)期。一項(xiàng)深入的研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論能夠在更多的植物基因組中得到驗(yàn)證，這揭示了氣候變化或冰河時(shí)期可能存在更多的全基因組復(fù)制浪潮。

“我起初有些懷疑（范德皮爾的看法），”索爾蒂斯說，“但他的結(jié)論卻經(jīng)過了時(shí)間的考驗(yàn)。”舉例來(lái)說，范德皮爾的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，擬南芥屬（常用于植物生物學(xué)研究）的一些物種在200萬(wàn)年前的寒潮時(shí)成為多倍體。2019年，哈佛大學(xué)的演化生物學(xué)家查爾斯 ? 戴維斯（Charles Davis）發(fā)現(xiàn)一組熱帶花卉金虎尾目植物在5 000萬(wàn)年前的一段極端溫暖的時(shí)期經(jīng)歷了全基因組復(fù)制。如今，這一目包含16 000個(gè)物種，這證實(shí)了多倍體相對(duì)于其造成的損害能夠起到幫助物種的作用。

當(dāng)浮萍被迫變?yōu)槎啾扼w（右），其細(xì)胞相比于正常者（左）變大，使葉子顯得更大

范德皮爾如今相信多組基因組使得基因可塑性增加，多倍體從而能夠?qū)π碌膽?yīng)激進(jìn)行快速調(diào)整，在足以摧毀大多數(shù)植物和動(dòng)物的災(zāi)難中存活下來(lái)。

范德皮爾表示，全基因組復(fù)制的模式“表明多倍體能夠在短期內(nèi)，甚至立即產(chǎn)生演化優(yōu)勢(shì)”。

他在會(huì)議上利用計(jì)算機(jī)建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這一結(jié)論。他的團(tuán)隊(duì)建立數(shù)字有機(jī)體的群集，賦予它們“基因”以激活虛擬的輪子進(jìn)行移動(dòng)，讓有機(jī)體在一定的速度下接觸或躲避其他有機(jī)體。

在一些群集活動(dòng)中，個(gè)體具有一份“基因組”的拷貝，而另一些則是兩份。為了測(cè)試這兩種類型的適應(yīng)程度，范德皮爾評(píng)估了這些個(gè)體沿著網(wǎng)絡(luò)尋找虛擬“食物”的能力。擁有一份基因組拷貝的有機(jī)體的表現(xiàn)更好，而當(dāng)研究人員限制食物的供應(yīng)后卻發(fā)生了變化。“多倍體突然開始展現(xiàn)出更加極端的行為”，范德皮爾說，它們邁出更大的步伐，找到更多的食物，甚至?xí)献鞑东C它們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。最終單基因組的群集滅絕了。這項(xiàng)工作“確認(rèn)了在一個(gè)應(yīng)激壓力大的環(huán)境中，有額外的基因組拷貝是一件好事”。他在2019年的《公共圖書館 ? 綜合》（PLOSONE）中報(bào)告了這一結(jié)果。

“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明它們能夠競(jìng)爭(zhēng)過二倍體，這很引人注目，”索爾蒂斯說，“其中肯定有些奧秘?！?/p>

現(xiàn)如今，范德皮爾相信他已經(jīng)找到了答案。模擬實(shí)驗(yàn)中的基因會(huì)組成一個(gè)交互網(wǎng)絡(luò)，而范德皮爾發(fā)現(xiàn)具有兩倍基因的有機(jī)體形成的基因網(wǎng)絡(luò)具有更多聯(lián)結(jié)。因此有機(jī)體得以移動(dòng)得更快，跳躍得更遠(yuǎn)，并出現(xiàn)意料外的行為，或是以復(fù)雜的方式與其他有機(jī)體交互。

范德皮爾等人相信，活有機(jī)體中也可能會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象。?？怂菇忉尩溃骸叭旧w數(shù)量增加，就會(huì)形成更多的聯(lián)結(jié)，用于精細(xì)調(diào)節(jié)基因的相對(duì)數(shù)量?！边@使得部分特定蛋白數(shù)量增加，而另一些數(shù)量減少，從而改變有機(jī)體的行為、生理學(xué)或化學(xué)特性。洛西克補(bǔ)充說，多倍體物種“能夠更好地適應(yīng)各種環(huán)境”。

二倍體有機(jī)體已經(jīng)很好地適應(yīng)了穩(wěn)定的環(huán)境，因此許多這類精細(xì)調(diào)節(jié)并無(wú)必要。但當(dāng)滅絕恐龍的小行星撞擊事件發(fā)生后，地球被野火的煙塵所籠罩而暗無(wú)天日，此時(shí)多倍體便具有存活的各式能力，范德皮爾假設(shè)道。“通常全基因組復(fù)制在演化上是死路一條，”他總結(jié)道，“但如果發(fā)生在正確的時(shí)機(jī)，便能夠創(chuàng)造進(jìn)化的機(jī)會(huì)?！?/p>

為了驗(yàn)證這一想法，范德皮爾和同事轉(zhuǎn)向一種小型水生植物紫背浮萍。通過將它們暴露于特定的化學(xué)物質(zhì)，阻斷細(xì)胞分裂，誘導(dǎo)一些個(gè)體產(chǎn)生多倍體。然后，研究人員將二倍體和多倍體一同培養(yǎng)，比較二者應(yīng)對(duì)應(yīng)激（如高鹽或是高濃度重金屬的環(huán)境）時(shí)的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)多倍體植物承受能力更高，他在五月的會(huì)議上報(bào)告道。他的團(tuán)隊(duì)很快將對(duì)不同代的浮萍進(jìn)行基因測(cè)序，通過評(píng)估基因活動(dòng)探究多倍體和二倍體的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)存在哪些差別。

匹茲堡大學(xué)的演化生態(tài)學(xué)家蒂亞-林恩 ? 艾希曼（Tia-Lynn Ashman）和馬丁 ? 特科特（Martin Turcotte）也在浮萍中研究多倍體問題。多倍體植物相對(duì)于二倍體植物而言，生長(zhǎng)速度通常更慢，種群數(shù)量也更小。但它們具有更加多樣的微生物生態(tài)系統(tǒng)，艾希曼在會(huì)議上報(bào)告道。

這可能是多倍體的另一個(gè)有益結(jié)果。研究人員逐漸意識(shí)到有機(jī)體的微生物組有助于其存活，多樣性更大的微生物群系能夠讓宿主消化更多種食物，或是通過其他方式增加宿主的承受能力。艾希曼指出，增加的多樣性能夠作為一種機(jī)制解釋全球尺度上觀察到的多倍體的廣泛生態(tài)適應(yīng)性。

可以確定的是，多倍體細(xì)胞絕非異常情況，而是生命活動(dòng)中應(yīng)對(duì)損傷、疾病和有害環(huán)境等應(yīng)激的一種主要機(jī)制。在會(huì)議上，佛羅里達(dá)自然博物館的植物演化生物學(xué)家帕梅拉 ? 索爾蒂斯（Pamela Soltis）說：“我們逐漸認(rèn)識(shí)到全基因組復(fù)制并非簡(jiǎn)單地將細(xì)胞中的一切進(jìn)行復(fù)制，而是一種獨(dú)特的生物學(xué)過程?！?/p>

洛西克為這種看法上的轉(zhuǎn)變感到高興，她回憶起博士后導(dǎo)師對(duì)她的高度期許?！拔腋械阶院?，”她說，“也很激動(dòng)能夠成為這個(gè)新領(lǐng)域的一分子。”

資料來(lái)源Science