多倍體將會有很多用途，我們現(xiàn)在知道的只是皮毛。
 

    細胞分裂通常會遵循一個簡單的規(guī)則。在**DNA后，細胞分裂，產(chǎn)生兩個子細胞。幾年前，當時在美國波特蘭俄勒岡健康與科學大學讀博士后的AndrewDuncan拍下了小鼠肝細胞分裂的影像，結(jié)果令其同事目瞪口呆。“我們看到一個細胞分裂成3個或4個子細胞。”Duncan說道。Duncan現(xiàn)在是匹茲堡大學的一名組織生物學家。染色體通常在分裂前會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(guī)的形式排列。

    這些肝細胞在分裂前有著不同尋常的行為，因為它們是多倍體，攜帶著額外的染色體。染色體在植物、昆蟲、魚和其他一些生物中盛行。但大多數(shù)的人類細胞是二倍體。事實上，額外染色體通常會給哺乳動物的細胞帶來麻煩。

    幾十年來，研究人員一直猜測多倍體是否會為哺乳動物細胞提供一些優(yōu)勢，例如增加蛋白質(zhì)合成等，但始終未能驗證其想法。隨著科學家逐漸識別了一些可以幫助調(diào)節(jié)多倍體的蛋白質(zhì)，這一情況發(fā)生了變化。最近科學家開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？“真正懸而未決的問題是為何一些細胞會是多倍體？”北卡羅來納大學（UNC）的發(fā)育遺傳學家RobertDuronio表示，“我們正準備開始回答這個問題。”

    盡管多倍體神秘的功能之謎尚未解開，一些研究人員已經(jīng)希望利用這一現(xiàn)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“一個危險的惡作劇”。對于正常的兩套染色體來說，一個額外染色體的出現(xiàn)可能是災難性的，例如導致唐氏綜合征。它還有一個潛在的危害。“它可以致癌。”波士頓Dana-Farber癌癥研究所的細胞生物學家和兒科腫瘤學家DavidPellman說道。Pellman稱，多倍體并不會在所有情況下都導致癌癥，但是風險很大。其同事在2013年發(fā)表于《自然-遺傳學》上的報告中稱，37%的癌癥都涉及到多倍體。細胞中的一種蛋白質(zhì)p53會在DNA數(shù)量異常時提醒細胞，從而實現(xiàn)自我凋亡或者減少分裂。俄亥俄州立大學生物學家GustavoLeone解釋道，因此細胞在變成多倍體之前，會使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(xiàn)，在適當情況下，一些蛋白質(zhì)會引導細胞成為多倍體狀態(tài)。為了調(diào)整細胞的染色體情況，一些研究小組最近使用小鼠開展多倍體轉(zhuǎn)基因?qū)嶒?。通過實驗，波士頓大學醫(yī)學院的生物藥學家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的團隊通過小鼠轉(zhuǎn)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(shù)量增加，但并未相應引起血小板數(shù)量的增加。研究團隊將報告發(fā)表在《生物化學雜志》上。Ravid提出，多倍體的好處其實是增加細胞的結(jié)構(gòu)支撐和細胞間聯(lián)系所需要的蛋白質(zhì)數(shù)量。

    賓夕法尼亞大學醫(yī)學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。“如果你問我為何細胞會成為多倍體狀態(tài)，我會說因為它可以幫助固定骨髓細胞。”Discher說道。其團隊將發(fā)現(xiàn)發(fā)表于2013年11月19日的《國家科學院院刊》（PNAS）上。

    研究人員已經(jīng)從其他物種中獲得證據(jù)，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，麻省理工學院的TerryOrr-Weaver和同事YingdeeUnhavaithaya發(fā)現(xiàn)，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，細胞產(chǎn)生萎縮，該屏障也發(fā)生了泄漏。他們還發(fā)現(xiàn)，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)達到極端的哺乳動物細胞類型來說，這種體積作用是說不通的。小鼠胚胎表層的巨大滋養(yǎng)層細胞中的基因組**能達到1000個。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(nèi)膜。“我們期待證實，多倍體的存在確實有一定意義。”Leone說道。

    潛在影響

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

    這種說法的依據(jù)來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，德國馬普學會心臟與肺研究中心的干細胞生物學家ThomasBraun和同事對轉(zhuǎn)基因小鼠進行研究，這些小鼠的肌肉細胞都缺少一個可以產(chǎn)生多倍體的基因。盡管該基因的缺少并沒有使所有心臟細胞都保持二倍體狀態(tài)，但確實使染色體組的數(shù)量減少了約1/3。

    “在基線條件下，小鼠都很正常。”Braun說道。不過，當小鼠在處理心臟病等情況時，其缺陷就出現(xiàn)了。動物心臟細胞中多倍體減少時，在心臟病發(fā)作后會泵入更少的血液。Braun稱，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(xiàn)，很多多倍體細胞分裂時會產(chǎn)生雙倍體子細胞。但是這些雙倍體子細胞卻不會正常生長，許多會增加或減少一個染色體，該情況被稱為“非整倍體”。“大多數(shù)癌癥病例都說明，非整倍體就是癌癥的代名詞。”Duncan說道。

    不過一些研究人員提出，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，他們發(fā)現(xiàn)再生發(fā)生的位置有著豐富的非整倍體細胞。

    Duncan現(xiàn)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，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(xiàn)的信息。西北大學范伯格醫(yī)學院的白血病生物學家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成熟也許可以治療該病。

    多倍體研究在近年取得了一些進展，但是多倍體對不同的哺乳動物細胞類型有何作用仍未確定。Leone稱，為取得進展，研究人員應該從植物生物學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?？茖W家可以對肝臟細胞進行類似的研究。Duronio預測道，進一步研究多倍體細胞的作用也許會產(chǎn)生一些驚喜。“多倍體將會有很多用途，我們現(xiàn)在知道的只是皮毛。”