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    多倍體將會(huì )有很多用途，我們現在知道的只是皮毛。
 

    細胞分裂通常會(huì )遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的規則。在**DNA后，細胞分裂，產(chǎn)生兩個(gè)子細胞。幾年前，當時(shí)在美國波特蘭俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)讀博士后的AndrewDuncan拍下了小鼠肝細胞分裂的影像，結果令其同事目瞪口呆。“我們看到一個(gè)細胞分裂成3個(gè)或4個(gè)子細胞。”Duncan說(shuō)道。Duncan現在是匹茲堡大學(xué)的一名組織生物學(xué)家。染色體通常在分裂前會(huì )整齊地排列在細胞中間，然而很多肝細胞中的染色體卻以非常規的形式排列。

    這些肝細胞在分裂前有著(zhù)不同尋常的行為，因為它們是多倍體，攜帶著(zhù)額外的染色體。染色體在植物、昆蟲(chóng)、魚(yú)和其他一些生物中盛行。但大多數的人類(lèi)細胞是二倍體。事實(shí)上，額外染色體通常會(huì )給哺乳動(dòng)物的細胞帶來(lái)麻煩。

    幾十年來(lái)，研究人員一直猜測多倍體是否會(huì )為哺乳動(dòng)物細胞提供一些優(yōu)勢，例如增加蛋白質(zhì)合成等，但始終未能驗證其想法。隨著(zhù)科學(xué)家逐漸識別了一些可以幫助調節多倍體的蛋白質(zhì)，這一情況發(fā)生了變化。最近科學(xué)家開(kāi)始探索這種奇怪的細胞狀態(tài)可能具有的功能。這些額外的染色體是否會(huì )為細胞儲備能力，從而使其應對壓力和傷害呢？“真正懸而未決的問(wèn)題是為何一些細胞會(huì )是多倍體？”北卡羅來(lái)納大學(xué)（UNC）的發(fā)育遺傳學(xué)家RobertDuronio表示，“我們正準備開(kāi)始回答這個(gè)問(wèn)題。”

    盡管多倍體神秘的功能之謎尚未解開(kāi)，一些研究人員已經(jīng)希望利用這一現象做更多的事。他們試圖用多倍體對抗某些癌癥，從而迫使細胞停止不受控制的分裂。

    利與弊

    Duronio和同事在2009年的一篇論文中描述道，多倍體就像是“一個(gè)危險的惡作劇”。對于正常的兩套染色體來(lái)說(shuō)，一個(gè)額外染色體的出現可能是災難性的，例如導致唐氏綜合征。它還有一個(gè)潛在的危害。“它可以致癌。”波士頓Dana-Farber癌癥研究所的細胞生物學(xué)家和兒科腫瘤學(xué)家DavidPellman說(shuō)道。Pellman稱(chēng)，多倍體并不會(huì )在所有情況下都導致癌癥，但是風(fēng)險很大。其同事在2013年發(fā)表于《自然-遺傳學(xué)》上的報告中稱(chēng)，37%的癌癥都涉及到多倍體。細胞中的一種蛋白質(zhì)p53會(huì )在DNA數量異常時(shí)提醒細胞，從而實(shí)現自我凋亡或者減少分裂。俄亥俄州立大學(xué)生物學(xué)家GustavoLeone解釋道，因此細胞在變成多倍體之前，會(huì )使p53和其他能抵御基因損壞的蛋白質(zhì)喪失功能。

    由于對細胞周期的研究，研究人員逐漸掌握了細胞成為多倍體的分子機制。研究人員發(fā)現，在適當情況下，一些蛋白質(zhì)會(huì )引導細胞成為多倍體狀態(tài)。為了調整細胞的染色體情況，一些研究小組最近使用小鼠開(kāi)展多倍體轉基因實(shí)驗。通過(guò)實(shí)驗，波士頓大學(xué)醫學(xué)院的生物藥學(xué)家KatyaRavid和同事推測，額外的基因可以幫助細胞制造血小板。

    2010年，Ravid的團隊通過(guò)小鼠轉基因制造出大量可產(chǎn)生多倍體的蛋白質(zhì)。盡管這些蛋白質(zhì)使細胞含有的染色體組數量增加，但并未相應引起血小板數量的增加。研究團隊將報告發(fā)表在《生物化學(xué)雜志》上。Ravid提出，多倍體的好處其實(shí)是增加細胞的結構支撐和細胞間聯(lián)系所需要的蛋白質(zhì)數量。

    賓夕法尼亞大學(xué)醫學(xué)院的生物物理工程師DennisDischer卻給出了另一種解釋。他認為，多倍體對巨核細胞的作用就像高卡路里的飲食對相撲選手的作用——可以增加體積。“如果你問(wèn)我為何細胞會(huì )成為多倍體狀態(tài)，我會(huì )說(shuō)因為它可以幫助固定骨髓細胞。”Discher說(shuō)道。其團隊將發(fā)現發(fā)表于2013年11月19日的《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

    研究人員已經(jīng)從其他物種中獲得證據，表明多倍體的好處之一就是其產(chǎn)生的額外重量。在2012年的一項果蠅研究中，麻省理工學(xué)院的TerryOrr-Weaver和同事YingdeeUnhavaithaya發(fā)現，當他們在形成血腦屏障的細胞中減少可產(chǎn)生多倍體的蛋白質(zhì)時(shí)，細胞產(chǎn)生萎縮，該屏障也發(fā)生了泄漏。他們還發(fā)現，擴大這些變小的細胞后，就能恢復緊密的密封狀態(tài)。

    然而Leone的團隊卻認為，對于一種多倍體狀態(tài)達到極端的哺乳動(dòng)物細胞類(lèi)型來(lái)說(shuō)，這種體積作用是說(shuō)不通的。小鼠胚胎表層的巨大滋養層細胞中的基因組**能達到1000個(gè)。這種細胞幫助將胚胎植入母體子宮，研究人員表示，增加的染色體允許細胞迅速擴大，使胚胎滲透到子宮內膜。“我們期待證實(shí)，多倍體的存在確實(shí)有一定意義。”Leone說(shuō)道。

    潛在影響

    多倍體也存在于心臟和肝臟這兩個(gè)器官中，研究人員正在探索對多倍體的另一種解釋。杜克大學(xué)醫學(xué)中心的細胞生物學(xué)家DonaldFox表示，對于許多細胞類(lèi)型來(lái)說(shuō)，多倍體也許是一種重要的應激反應和適應方式。

    這種說(shuō)法的依據來(lái)自于一項小鼠心臟研究。在該研究中，幾乎所有的細胞都含有4組染色體。2010年，德國馬普學(xué)會(huì )心臟與肺研究中心的干細胞生物學(xué)家ThomasBraun和同事對轉基因小鼠進(jìn)行研究，這些小鼠的肌肉細胞都缺少一個(gè)可以產(chǎn)生多倍體的基因。盡管該基因的缺少并沒(méi)有使所有心臟細胞都保持二倍體狀態(tài)，但確實(shí)使染色體組的數量減少了約1/3。

    “在基線(xiàn)條件下，小鼠都很正常。”Braun說(shuō)道。不過(guò)，當小鼠在處理心臟病等情況時(shí)，其缺陷就出現了。動(dòng)物心臟細胞中多倍體減少時(shí)，在心臟病發(fā)作后會(huì )泵入更少的血液。Braun稱(chēng)，多倍體使心臟復蘇的方式尚不清楚。

    Duncan和同事對肝細胞的相關(guān)研究也支持這種猜測。在發(fā)表于2010年《自然》（Nature）雜志上的論文中，其團隊發(fā)現，很多多倍體細胞分裂時(shí)會(huì )產(chǎn)生雙倍體子細胞。但是這些雙倍體子細胞卻不會(huì )正常生長(cháng)，許多會(huì )增加或減少一個(gè)染色體，該情況被稱(chēng)為“非整倍體”。“大多數癌癥病例都說(shuō)明，非整倍體就是癌癥的代名詞。”Duncan說(shuō)道。

    不過(guò)一些研究人員提出，非整倍體可以在組織或者器官中產(chǎn)生有用的遺傳多樣性，從而使細胞添加有益的基因副本。當Duncan和同事研究小鼠肝臟再生時(shí)，他們發(fā)現再生發(fā)生的位置有著(zhù)豐富的非整倍體細胞。

    Duncan現在猜測，肝臟中的多倍體是產(chǎn)生有再生能力的非整倍體細胞的迂回方式。其團隊目前正在試圖證實(shí)，這些細胞可以**乙肝患者的肝臟再生。

    如何利用

    盡管研究人員尚未解決多倍體之謎，但他們已經(jīng)在想，如何應用已發(fā)現的信息。西北大學(xué)范伯格醫學(xué)院的白血病生物學(xué)家JohnCrispino和同事將目光投向了由巨核細胞引起的急性髓系白血病。Crispino和同事指出，迫使細胞成為多倍體并生長(cháng)成熟也許可以治療該病。

    多倍體研究在近年取得了一些進(jìn)展，但是多倍體對不同的哺乳動(dòng)物細胞類(lèi)型有何作用仍未確定。Leone稱(chēng)，為取得進(jìn)展，研究人員應該從植物生物學(xué)家的工作中獲得靈感，他們已經(jīng)測試了特定環(huán)境條件下多倍體的優(yōu)勢——能提高對鹽度的忍受度。科學(xué)家可以對肝臟細胞進(jìn)行類(lèi)似的研究。Duronio預測道，進(jìn)一步研究多倍體細胞的作用也許會(huì )產(chǎn)生一些驚喜。“多倍體將會(huì )有很多用途，我們現在知道的只是皮毛。”