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果蠅傷口周圍含有多個細(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)研究所的一個果蠅實驗室，實驗室負(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)時流行的研究熱點：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，她和另一個博士后唐 ? ?？怂梗―on 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)胞生長并復(fù)制DNA準(zhǔn)備進一步分裂。接著它們停了下來，維持一種增大的單個細(xì)胞狀態(tài)，內(nèi)含多份基因組的拷貝。現(xiàn)任職于波士頓大學(xué)的洛西克回憶道：“我當(dāng)時相當(dāng)震驚。”

當(dāng)洛西克和福克斯幾天后觀察果蠅的傷口時，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發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，并且干細(xì)胞和它無關(guān)?！?/p>

此后，兩位科學(xué)家對多倍體細(xì)胞的興趣不斷增長。大多數(shù)的植物和動物細(xì)胞都是二倍體，它們的基因組由來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 ? 南達庫瑪（Shyama Nandakumar）說：“簡直難以置信，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)果顯示有多個基因會天然驅(qū)動多倍體的產(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體個體的一種應(yīng)對方式，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)多倍體有機體比對應(yīng)的二倍體往往具有競爭劣勢，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。從各種空間和時間尺度來看，多倍體都是一種“損傷響應(yīng)”，佛羅里達大學(xué)的植物演化生物學(xué)家道格拉斯 ? 索爾蒂斯（Douglas Soltis）認(rèn)為，“這是一個至關(guān)重要的演化事件，卻沒人關(guān)注”。

科學(xué)家在近一個世紀(jì)中發(fā)現(xiàn)多倍體細(xì)胞會由多種方式出現(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，并沒有進一步分裂成子細(xì)胞。另一種可能是多個細(xì)胞融合成具有多個細(xì)胞核的單個細(xì)胞。無論如何，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)胞有時會帶來危害，協(xié)助癌癥進展或抵抗放化療。多倍體細(xì)胞同樣在特定情況下會損害腎臟或肝臟。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)文獻尋找類似結(jié)果時，他們得知其他的研究團隊在疾病或應(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。因此二人計劃進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，傷口便難以愈合。在卡內(nèi)基研究小組2013年報道他們的結(jié)果前，一位杜蘭大學(xué)的果蠅生物學(xué)家鄧武民已經(jīng)報告了果蠅卵巢損傷后也會出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。?？怂怪赋觯@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)胞如何促進愈合。果蠅中，一些巨型細(xì)胞會很快填補損傷產(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DNA的破壞，這種炎癥通常會導(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。她同時在會議上報告稱，對于從急性腎損傷中恢復(fù)的患者來說，這類細(xì)胞的數(shù)量會隨著時間逐漸下降。

一旦多倍體細(xì)胞完成損傷的控制工作后便會停下，因為這種尺寸過大的細(xì)胞一旦累積起來可能會有害。佛羅倫薩的研究小組2022年報告稱，它們可能會導(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月的會議上報告稱，在受傷果蠅中阻斷瘢痕形成過程后，多倍體細(xì)胞會繼續(xù)形成，而傷口也不會完全關(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)：它是哺乳動物中分子YAP1（yes1相關(guān)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）在果蠅中對應(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，我們在果蠅（腹部）和哺乳動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機抑制YAP1能夠減少受損的腎臟形成有害瘢痕組織的風(fēng)險。她和同事在動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抗其最危險的作用：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，它們的運動能力和伸縮性都有所增強，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)胞會融合成具有多個細(xì)胞核的巨型細(xì)胞（右）

另一個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)合物的一個組成部分——CDK9蛋白時，這些細(xì)胞不再對抗癌藥物具有抗性，他們在會議中報告道，這意味著耐藥癌癥可能具有這一弱點，值得進一步探究。

似乎多倍體細(xì)胞在受損或應(yīng)激組織中是一個受到歡迎的短期訪客，而在癌癥中是一個長期逗留的危險人物，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)。有時這些聯(lián)合的基因組會再次復(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)制成長和營養(yǎng)必要的關(guān)鍵基因能夠形成更密集的谷穗、更大的果實和更高、更甜的莖稈。

這些特征對人類消費者而言是極好的，但對植物而言，“幾乎絕大多數(shù)全基因組復(fù)制現(xiàn)象實際上是適應(yīng)不良。”根特大學(xué)的進化生物學(xué)家伊夫 ? 范德皮爾（Yves Van de Peer）評價道，譬如說，多倍體植物相對于二倍體植物需要更多的營養(yǎng)，生長速度也更慢。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。

他和同事開始研究植物物種基因組發(fā)生復(fù)制的時機，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6 600萬年前，正好是小行星撞擊地球并引發(fā)大規(guī)模滅絕的時期。一項深入的研究發(fā)現(xiàn)這種結(jié)論能夠在更多的植物基因組中得到驗證，這揭示了氣候變化或冰河時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)過了時間的考驗。”舉例來說，范德皮爾的團隊發(fā)現(xiàn)，擬南芥屬（常用于植物生物學(xué)研究）的一些物種在200萬年前的寒潮時成為多倍體。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5 000萬年前的一段極端溫暖的時期經(jīng)歷了全基因組復(fù)制。如今，這一目包含16 000個物種，這證實了多倍體相對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)激進行快速調(diào)整，在足以摧毀大多數(shù)植物和動物的災(zāi)難中存活下來。

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”。

他在會議上利用計算機建模和實驗結(jié)果支持這一結(jié)論。他的團隊建立數(shù)字有機體的群集，賦予它們“基因”以激活虛擬的輪子進行移動，讓有機體在一定的速度下接觸或躲避其他有機體。

在一些群集活動中，個體具有一份“基因組”的拷貝，而另一些則是兩份。為了測試這兩種類型的適應(yīng)程度，范德皮爾評估了這些個體沿著網(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?！岸啾扼w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它們的競爭對手。最終單基因組的群集滅絕了。這項工作“確認(rèn)了在一個應(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）中報告了這一結(jié)果。

“這項實驗證明它們能夠競爭過二倍體，這很引人注目，”索爾蒂斯說，“其中肯定有些奧秘。”

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

范德皮爾等人相信，活有機體中也可能會發(fā)生類似的現(xiàn)象。?？怂菇忉尩溃骸叭旧w數(shù)量增加，就會形成更多的聯(lián)結(jié)，用于精細(xì)調(diào)節(jié)基因的相對數(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，從而改變有機體的行為、生理學(xué)或化學(xué)特性。洛西克補充說，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天日，此時多倍體便具有存活的各式能力，范德皮爾假設(shè)道?！巴ǔＨ蚪M復(fù)制在演化上是死路一條，”他總結(jié)道，“但如果發(fā)生在正確的時機，便能夠創(chuàng)造進化的機會?！?/p>

為了驗證這一想法，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)對應(yīng)激（如高鹽或是高濃度重金屬的環(huán)境）時的反應(yīng)。實驗證實多倍體植物承受能力更高，他在五月的會議上報告道。他的團隊很快將對不同代的浮萍進行基因測序，通過評估基因活動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。多倍體植物相對于二倍體植物而言，生長速度通常更慢，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)，艾希曼在會議上報告道。

這可能是多倍體的另一個有益結(jié)果。研究人員逐漸意識到有機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，而是生命活動中應(yīng)對損傷、疾病和有害環(huán)境等應(yīng)激的一種主要機制。在會議上，佛羅里達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)識到全基因組復(fù)制并非簡單地將細(xì)胞中的一切進行復(fù)制，而是一種獨特的生物學(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)師對她的高度期許?！拔腋械阶院?，”她說，“也很激動能夠成為這個新領(lǐng)域的一分子?！?/p>

資料來源Science