本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Michael Marshall，原文标题：《长成大象还是小鼠，取决于细胞里的这个小小时钟 | 《自然》长文》，题图来自：unsplash
在位于西班牙巴塞罗那的实验室里，Miki Ebisuya制作了一个“钟”，但里面没有齿轮、弹簧和数字。这个钟从不滴答作响——它由基因和蛋白质组成，在实验室培养的单层细胞中记录着时间。这个生物钟十分微小，却可能导致了各种动物之间的巨大差别。
动物细胞充满活力，但每种动物细胞的节奏不尽相同。在所有已知的例子中，小鼠细胞运行速度比人类快，而后者又比鲸鱼快。这种区别影响了一只动物能长到多大、每个身体部位如何组织，甚至可能决定动物的寿命。但生物学家一直想知道，是哪种细胞计时器控制着细胞速度、又为何速度不一。
在众多控制细胞运作的时钟里，有一个时钟的面纱在研究浪潮中被逐渐揭开。这个时钟存在于早期胚胎里，它通过激活和关闭基因，敲打出规律的节奏。这种“分节时钟”（segmentation clock）还会造就重复的身体节段，比如我们脊柱中的椎骨。这就是Ebisuya在她的实验室里制造的计时器。
插画：Alberto Seveso
“我对生物学时间（biological time）很感兴趣，” Ebisuya说，她是欧洲分子生物学实验室（巴塞罗那）的发育生物学家，“但生物的寿命或妊娠期太长，研究太费时间。”因此快节奏的分节时钟就成为了一种理想的模型体系，她说。
生物学家们从上世纪90年代开始研究分节时钟，他们已经知道老鼠胚胎中的分节时钟运行速度大约是人类胚胎的两倍。胚胎发育速度，或胚胎各个部位的发育速度，对成体形态有重要影响。Ebisuya等人想知道，发育节奏上的差异怎样造就了如此不同的生物躯体和生物行为。
在过去的三年里，答案正逐渐浮出水面。这主要是因为生物学家现在能用人类干细胞在体外培养出包含分节时钟的组织，从而深入研究其活动。
“能在人体（组织）中进行观察真是令人振奋，”斯坦福大学的干细胞生物学家Helen Blau说，“这是一个重大的进步。”
这些研究成果颠覆了长久以来一些关于不同动物如何发育的假说。目前还没有证据表明，存在某个控制分节时钟速度的主基因；相反，控制分节时钟速度的可能是不断变化的蛋白质降解速率。科学家们曾假定，所有动物体内的所有蛋白质降解速度是基本恒定的，目前的发现可能足以让他们修订一下分子生物学教材了。
细胞运行速度的区别甚至可以解释人类发育的独特之处，例如相较于其他物种，我们拥有硕大的头脑、延长的幼年期和漫长的寿命。
如果对分节时钟的研究结果是正确的，这一微小的、飞逝的计时器或许会揭示一些塑造所有生命的更深层生物化学规律。
一、海克尔和异时性
创造物种，速度是关键。进化并非通过额外增加颈椎来造就长颈鹿的长颈——长颈鹿和它脖子粗短的亲戚㺢加狓拥有相同数量的颈椎。相反，长颈鹿的颈椎会花更长时间生长，从而能长更大。
这种躯体各部位发育速度的差异，被称为异时性（heterochrony），这个概念由德国动物学家海克尔（Ernst Haeckel）提出，他以研究胚胎发育闻名。现代发育生物学家认为异时性是一个关键概念，能帮助解答一个核心的谜题——在发育的最初期，所有脊椎动物的胚胎看起来大同小异，但随着胚胎发育，它们变得很好区分；人类胚胎细胞是如何发育成人类宝宝，而不是发育成黑猩猩幼崽或幼鱼的呢？
笼统而言，是因为躯体各部位的发育速度不同，深刻影响了动物的最终形态。但又是什么控制着发育速度呢?
和海克尔一样，现代生物学家也从椎骨等重复的体节入手，来研究发育速度如何塑造动物形态。几十年前，他们就开始研究胚胎发育时如何形成身体分节。
在发育过程中，胚胎的某处区室会分裂成从头至尾的重复节段，即体节。每个体节会发育成一节脊椎及其附属组织。
1976年，两位研究人员提出，这个区室里每个细胞可能都具有某种振荡机制（oscillating mechanism），能够周期性地自动开启和关闭，从而控制体节的形成[1]。“一时间吸引了许多探索，”哈佛医学院的发育生物学家Olivier Pourquié说，“到了上世纪90年代末，我们找到了一个基因，在将要发育成体节的组织中表现出了节律行为（rhythmic behaviour）。”
Hes7基因在体外培养的小鼠干细胞（图左）中自动开启和关闭的速度是在人类细胞（图右）中的两倍。来源：M. Matsuda et al./Science
Pourquié团队研究了发育中的鸡的胚胎，发现一种叫做c-hairy1的基因每90分钟开关一次[2] ——正好是形成一个体节所需要的时间。c-hairy1基因表达的潮汐沿着胚胎的尾端向头端扩散，并随着体节发育同步振荡。此后，类似的分节时钟也在小鼠等其他物种中被发现。
从那时起，Pourquié等生物学家就不断尝试将分节时钟分离出来，以研究其运作机理，还发现了一大堆帮助分节时钟记录时间的基因和蛋白。哺乳动物的Hes7就是一个关键基因，相当于鸟类的c-hairy1基因。正如其他分节时钟相关基因，Hes7也可以反复地自动开启、关闭。这使其成为“分节时钟的重要起搏器。”日本京都大学的影山龙一郎（Ryoichiro Kageyama）说，他是一位研究该基因近20年的发育生物学家。
但Hes7在不同物种中为何有不同的开启/关闭速度，以及分节时钟的速度最终是如何控制的，这些问题仍然成谜。过去三年里，一系列研究指向了一个答案。
二、拆解时钟
在2019年和2020年，有数个实验室证实，通过培养干细胞、使其发育成体节形成组织（somite-forming tissue），就能够在体外重现人类的分节时钟[3-5]。尽管人们早已这么认为，但这是第一次证据确凿地证明了人类也有分节时钟。更重要的是，在体外制造出分节时钟，意味着能够首次在人类组织中对其进行研究，并对相关机制进行更细致的分析。
比利时鲁汶大学的发育神经生物学家Pierre Vanderhaeghen表示，这些研究得以实现，是因为技术进步到能将培养的干细胞诱导生长成特定组织。在人类胚胎中，分节时钟仅在胚胎发育的第三到第四周激活。“这时女性甚至还不知道自己怀孕了，”Pourquié说，“所以我们对其一无所知。而这种体外培养体系建立了一个可供研究的模型。”
2018年，影山团队表明他们可以将小鼠胚胎干细胞培养成体节形成组织，并观察到了Hes7基因表达的振荡[6]。在2019年和2020年，由Pourquié、Ebisuya和干细胞生物学家James Thomson（Morgridge研究所）分别领导的三个独立研究团队证实，也可以用人类干细胞重复同样的实验[3-5]。
这些研究揭示了人类和其他动物的分节时钟有许多相似之处。例如，相关的基因、蛋白质类似物在小鼠和人类体内都是一样的。
不过，有一个显著的区别——人类的分节时钟走得很慢，每次振荡需要5-6个小时，是小鼠胚胎（每次振荡2-3个小时）的两倍——这就是异时性的典型例子（见“解锁分节时钟”）。但为什么人类的分节时钟走得这么慢，控制着它的又是什么？
来源：参考文献[7]。插图：Nik Spencer/Nature
三、运行缓慢
去年9月一同发表于《科学》杂志的两篇论文[7,8]提供了一个可能的答案。
Ebisuya的团队专注于Hes7基因——她称其为“分节时钟的核心”。为了检验Hes7基因的人类版本和小鼠版本是否控制了细胞的不同运行速度，他们将人类Hes7导入小鼠细胞，又将小鼠Hes7导入人类细胞，然后观察人类细胞是否开始以小鼠的速度振荡，反之亦然。然而，振荡的速度几乎没有改变[7]。是其他因素在影响着Hes7。
为了深入探究，该团队思考了Hes7到底是如何工作的。该基因一旦激活就会制造Hes7蛋白，当蛋白堆积到一定程度，则会令该基因关闭。随后，如果Hes7蛋白被降解，Hes7基因就可以重新激活。通过这种方式，Hes7不断地开启和关闭。
Ebisuya团队想知道，在人类细胞中Hes7蛋白的降解是否比在小鼠细胞中更慢，这是否又导致了更慢的Hes7活性振荡——以及更慢的分节时钟。而在后续实验中，他们发现Hes7蛋白及其RNA模板在人类细胞中的降解速度确实慢得多[7]。
目前还不清楚这是为什么。Hes7蛋白被打上破坏标记后，就会被一种叫做蛋白酶体的复合物分解。“但我们不知道这个降解过程中哪个部分比较慢。” Ebisuya说。
有趣的是，人类蛋白质的这种缓慢降解并不仅见于Hes7，也不仅见于分节时钟。伦敦Francis Crick研究所的发育生物学家James Briscoe主持的另一项研究证实了这点[8]。他的团队研究了小鼠和人类胚胎的脊髓运动神经元分化（见“飞快的基因”）。这一过程发生在胚胎里椎骨形成的位置之外，不涉及分节时钟。然而，这一过程在人类身上仍然很慢，大约需要2周，而在小鼠身上只需要3-4天。
来源：参考文献[8]
该研究团队发现，人类蛋白质的降解时间大约是小鼠蛋白质的两倍——这似乎决定了运动神经元的发育速度。这与Ebisuya的发现惊人地相似，Briscoe说。“我们研究脊髓发现的时间差异，与她研究分节发现的完全相同。”
小鼠和人类的蛋白质几乎完全相同，Briscoe团队的成员Teresa Rayon补充说。这意味着不太可能是小鼠的蛋白质本身不稳定。“我们怀疑这跟蛋白质如何降解有关。”
不过，对于“蛋白质降解速度决定了分节时钟的速度差异”这一观点，Blau和Vanderhaeghen持谨慎态度。“我不认为现在可以下定论。”Blau说。要想解释这种速度差异，这些研究只是排除了一些备择选项，她说，但还没有证明蛋白降解速度就是正解。
四、生化反应速度
与此同时，在尚未发表的实验中，Ebisuya正在研究是否所有的人类蛋白质降解速度都比小鼠蛋白质慢。“我们认为，总的来说，降解速度在人类细胞中更慢。” 她说，但这可能不适用于所有蛋白质。她的研究团队还证明，在人类细胞中，不光蛋白质降解速度慢一拍，蛋白质合成的速度也比其他物种更慢。Vanderhaeghen说，其他的一些细胞事件，如代谢周期或线粒体活动，在不同的物种中也可能运行得有快有慢。
没有研究者能肯定地回答，为什么人类细胞中的生化反应整体上会更缓慢——无论是造成这种差异的机制，还是它为什么会在进化历程中出现。Pourquié认为，相关机制可能就藏在基因组中。“在进化过程中，一定出现了某种遗传变化，导致人类细胞的所有活动都变慢了。”他说。但不知道这怎么会成为一种进化优势。
英国邓迪大学的发育生物学家J. Kim Dale说，人类细胞相对慢吞吞，可能是其组织性或复杂性的结果。打个比方，如果负责降解的分子疲于奔命才能满足需求，就会拖慢生化反应速度。“根据我们现有的信息，细胞环境可能就是这样的。”她说。
体外分节时钟的研究也许很好地解决了上一个问题，但也带来一个更大的谜团——除了特定的发育时期，在人类的一生中，细胞运行是否都比其他物种更慢？如果是这样，这也许能解释为什么我们的寿命比其他物种更长。
现在下结论还为时过早，但1月的一项研究表明[9]，生化反应的速度差异在生物中早已根深蒂固。罗彻斯特大学的Sina Ghaemmaghami团队从蛋白质组学的角度，对比了12种哺乳动物的皮肤细胞——从只能苟活4年的金仓鼠，到人类，再到能活200年的弓头鲸——以比较研究蛋白质的创生和毁灭速度能有多快。
“我以为不可能看到太大的区别。” Ghaemmaghami说。蛋白质组学教科书通常主张蛋白质的半衰期是固有的、由蛋白结构决定的，他说，因此这些结构上高度保守、在各物种间基本相同的蛋白质，理应在所有动物中存续时间都基本相同。但实际却是，该团队发现蛋白质周转率与寿命具有强负相关性——活得越久的物种，蛋白质周转代谢越慢。
为什么长寿的动物生化反应速度更慢？“这简直是个世纪难题，” Ghaemmaghami说，“究竟是较低的蛋白质周转率通过某种机制延长了寿命，还是有另一种不相干的因素，既延长了动物寿命、又同时影响了蛋白周转率？这真的很难搞懂。”
目前，Ghaemmaghami的假设是，生化反应缓慢是寿命延长的结果。他指出，快速合成和降解蛋白质本是好事，因为这能保证细胞一直用上高质量的蛋白——但在这个过程中难免产生损害细胞的代谢废物。他说：“假如你是一个长寿的机体，就不能只顾着快速周转蛋白质，因为这会破坏其他细胞成分。”他的团队认为，为了应对这个问题，长寿动物降低了总周转率，只筛选出损伤的蛋白质进行降解。
Ebisuya认为生化反应速度可能是造成动物间差别的关键，但在她得先弄清楚背后的机制才能得出结论。“我还不确定类似的机制能否解释别的生命活动。”她说。
这也许很花时间，但Ebisuya和其他人制造的这些“时钟”，终将有望揭示更多关于动物生命流转的秘密。
参考文献：
1. Cooke, J. & Zeeman, E. C. J. Theor. Biol. 58, 455–476 (1976).
2. Palmeirim, I., Henrique, D., Ish-Horowicz, D. & Pourquié, O. Cell 91, 639–648 (1997).
3. Diaz-Cuadros, M. et al. Nature 580, 113–118 (2020).
4. Matsuda, M. et al. Nature 580, 124–129 (2020).
5. Chu, L.-F. et al. Cell Rep. 28, 2247–2255 (2019).
6. Matsumiya, M., Tomita, T., Yoshioka-Kobayashi, K., Isomura, A. & Kageyama, R. Development 145, dev156836 (2018).
7. Matsuda, M. et al. Science 369, 1450–1455 (2020).
8. Rayon, T. et al. Science 369, eaba7667 (2020).
9. Swovick, K. et al. Mol. Cell Proteom. 20, 100041 (2021).
原文以These cellular clocks help explain why elephants are bigger than mice标题发表在2021年4月27日的《自然》的新闻特写版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-01086-9
本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Nature Portfolio