麻省理工學院(MIT)的科學家們發現，在細胞開始分裂之前，它們會做一些清理工作，然後扔掉一些它們似乎不再需要的分子。研究人員通過使用他們自己開發的測量細胞干質量的新方法發現，細胞在進入細胞分裂時會失去掉約4%的質量。
研究人員認為，這種清空垃圾的做法有助於細胞給它們的後代一個“乾淨的石板”–沒有母細胞積累的垃圾。
MIT的研究科學家和這項新研究的主要作者Teemu Miettinen指出：“我們的假設是，細胞可能正在扔掉那些正在積累的東西，有毒成分或只是那些你不希望存在的不能正常運作的東西。它可以讓新生的細胞誕生時有更多的功能內容。”
生物工程系和機械工程系的David H. Koch工程教授、Koch綜合癌症研究所成員Scott Manalis是該研究論文的資深作者，該論文於5月10日發表在《eLife》上。MIT生物工程系本科生Kevin Ly和Alice Lam也是該論文的作者。
測量質量
測量一個細胞的干質量–其內容物不包括水的重量–通常使用一種叫做定量相顯微鏡的顯微鏡技術來完成。這種技術雖然可以測量細胞的生長，但它無法揭示關於干質量的分子含量的信息，而且它很難用於生長在懸浮液中的細胞。
Manalis的實驗室之前曾開發了一種測量細胞浮力質量的技術，也就是它們漂浮在水等液體中時的質量。這種方法通過讓細胞流經一個嵌入振動懸臂的通道來測量浮力質量，這可以反覆進行以此來跟蹤特定細胞的質量在許多小時或幾天內的變化。
研究人員希望對該技術進行調整以便它可以被用來計算細胞的干質量及干質量的密度。實際上大概在10年前，他們已經發現，如果他們先在普通水中測量細胞然後再在重水中（含有氘而不是普通的氫）測量就能計算出細胞的干質量。這兩次測量可以用來計算細胞的干質量。
然而重水對細胞是有毒的，所以他們只能對每個細胞進行一次測量。去年，Miettinen開始研究他是否能設計一個系統可以重複測量細胞並將重水的暴露量降到最低。
在其想出的系統中，當細胞流經微流體通道時，它們會非常短暫地暴露在重水中。由於細胞只需一秒鐘就能完全交換其水含量，因此研究人員可以測量細胞充滿重水時的質量並將其跟正常水中的質量進行比較，然後計算出干質量。
Miettinen說道：“我們的想法是，如果我們盡量減少細胞跟重水的接觸，我們可以設計這個系統，這樣我們就可以在長時間內重複這種測量而不傷害細胞。這使我們第一次不僅能跟蹤細胞的干質量–這是其他人使用顯微鏡方法所做的，而且還能跟蹤干質量的密度，這使我們了解細胞的生物分子組成。”
研究人員表示，他們的干質量測量在質量上跟以前使用定量相顯微鏡的工作一致。並且除了提供干物質的密度外，MIT團隊的方法還能實現更高的時間分辨率，這被證明對揭示有絲分裂（細胞分裂）期間的動態非常有用。
扔掉垃圾
在經歷有絲分裂的細胞中，研究人員利用他們的新技術研究在該過程中細胞質量和組成發生了什麼。在2019年的一篇論文中，Miettinen和Manalis發現，隨着有絲分裂的開始，浮力質量略有增加。然而其他使用定量相位顯微鏡的研究表明，在細胞分裂早期，細胞可能保留或失去乾性質量。
在新研究中，MIT團隊測量了三種類型的癌細胞。由於這些細胞的分裂比健康細胞更頻繁，所以它們更容易研究。令研究人員感到驚訝的是，他們發現，當細胞進入細胞分裂周期時細胞的干質量實際上會減少。這種質量後來在分裂完成之前又恢復了。
進一步的實驗顯示，當細胞進入有絲分裂時它們加大了一個叫做溶酶體外滲的過程的活動。溶酶體是分解或回收細胞廢物的細胞器，而外吞作用則是它們用來拋棄任何不再需要的分子的過程。
研究人員還發現，隨着細胞失去干物質，干物質的密度也在增加，這使他們相信，細胞正在失去低密度分子如脂質或脂蛋白。他們假設，細胞在分裂前利用這一過程來清除有毒分子。
研究人員推測，他們的發現可能有助於解釋為什麼不會分裂的神經元更有可能積累有毒蛋白質如Tau或澱粉樣β，這些則都跟阿爾茨海默病的發展有關。
另外，該研究結果還可能跟癌症有關。癌細胞可以利用細胞外滲排出一些化療藥物，從而幫助它們對藥物產生抗性。從理論上講，在細胞分裂前阻止外泌體的發生可以幫助使癌細胞更容易受到此類藥物的影響。
“在有些疾病中，我們可能想要提高細胞外分泌，如在神經退行性疾病中，但也有像癌症這樣的疾病，我們可能想要調低它。未來，如果我們能更好地理解這背後的分子機制並找到一種在有絲分裂之外觸發它或在有絲分裂期間防止它的方法，那麼我們就真的可以在治療疾病時使用一個新的切換器，”Miettinen說道。