AI時代人的價值不是因為你知道什么，而是因為你不知道什么：我們不知道答案的125個科學問題，讓你瞬間到達AI未知的邊界：

63. 是什么使細胞成分能在不依賴于DNA的條件下進行自我復制?

What enables cellular components to copy themselves independent of DNA?

題記：中心體(幫助分離成對的染色體)和個別細胞器在沒有DNA指導的情況下可以按照自己的節奏進行自我復制。這種獨立性的自我復制目前仍然難以解釋。

1. 細胞的結構和細胞周期

細胞是所有生物體的基本組成單元。人體由數萬億個細胞組成，它們為身體提供穩定的空間結構，從食物中吸收養分，將這些營養物質轉化為能量，并利用能量來完成維持生命功能的各種生化過程。生物體的每一個細胞都包含控制細胞生化過程的遺傳物質DNA，細胞在DNA的指揮下能夠完全地復制自己，這就是細胞的增殖或分裂。

細胞的增殖分裂是生物成長繁衍、組織修復和更新代謝的必然要求，而細胞的一個分裂過程就稱為一個細胞周期，細胞周期完全是在DNA的指導下完成的。細胞周期(cell cycle)是指細胞從一次分裂完成開始到下一次分裂結束所經歷的全過程(見圖1所示)，主要分為間期(interphase)和分裂期(mitosis)兩個階段，間期又細分為三個階段：DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）與DNA合成后期（G2期）；細胞的有絲分裂期也可分為前、中、后和末期四個階段，但它是一個連續變化的過程，完成由一個母細胞分裂成兩個子細胞的過程，一般只需1-2個小時。所以細胞的大部分時間都是在間期中度過，一個細胞周期的完成顯然都是以DNA復制為核心，也就是細胞在一個細胞周期內在DNA的指揮下完成了復制自己的全過程。

圖1 細胞的周期（侵刪）

細胞能夠成功復制自己預示著細胞能將自己內部的任何部分通過DNA協調而完美地復制出來。然而新的問題來了，進一步的研究發現細胞內部某些成分的復制過程并非由DNA控制，細胞內某些細胞器可以獨立于DNA的復制過程而完成自我復制，到底是什么機制導致了這種行為？為了說清楚這個問題，我們先從細胞的內部構造說起。

細胞體由多個部分構成，每個部分具有不同的功能，其中一些可以完整區分的部分可稱為細胞器，它們是細胞內執行某些任務的特殊結構。人體細胞主要包含以下部分：（1）細胞膜，細胞由外膜包裹，它將細胞和環境分開，是一種有蛋白質嵌入的雙層磷脂分子，允許物質進入和離開細胞；（2）細胞質，細胞內充滿細胞質，它由一種果凍狀的液體（稱為細胞液）和細胞核周圍的其他結構組成；（3）細胞骨架，它是構成細胞結構框架的長纖維網絡，可以確定細胞形狀、參與細胞分裂和支持細胞移動，也為細胞提供了一個類似軌道的網絡系統，指導細胞器和其他物質在細胞內的運動；（4）內質網，處理細胞產生的分子，將這些分子運輸到細胞內或細胞外的特定目的地；（5）高爾基體，將內質網處理的分子包裝起來，以便轉運出細胞；（6）溶酶體和過氧化物酶體，它們是細胞的回收中心，負責消化侵入細胞的外來細菌，清除細胞中的有毒物質，并回收老化了的細胞成分；（7）線粒體，將食物中的能量轉化為細胞可以使用的形式。它們有自己的遺傳物質，與細胞核中的DNA復制過程分開，可以自由復制自己；（8）細胞核，是細胞的指揮中心，向細胞發出生長、成熟、分裂或死亡的指令，其內存放重要的遺傳物質DNA(脫氧核糖核酸)，它被一層核膜包圍，以便保護DNA并將細胞核與細胞的其他部分分開；（9）核糖體，處理細胞遺傳指令并用于合成蛋白質的細胞器，它可以在細胞質中自由漂浮或附著連接到內質網上；（10）中心體，幫助細胞分離成對產生的染色體，將核DNA復制后的染色體分開推向細胞的兩側，大部分細胞只有1個中心體。中心體可以在沒有DNA指導的情況下進行自我復制。

圖2 細胞的構成部分和細胞器示意圖（網絡侵刪）

在細胞的分裂過程中，細胞必須確保其遺傳物質在兩個新產生的細胞中均勻分布，這個可由DNA的精準復制來保證，但細胞除了染色體的復制和分配外，還需要復制和分配像高爾基體、線粒體和中心體這樣的細胞成分。在以上介紹的細胞成分中（見圖2），除了線粒體和中心體，其他細胞器的復制都是建立在DNA指導的基礎上進行復制合成的。而線粒體和中心體似乎都可以脫離核DNA的指導而進行自我復制，但線粒體中存有DNA，其中的DNA可以認為是細胞核DNA保存在線粒體中的副本，所以線粒體的復制本質上還是受DNA控制的。然而中心體卻極為不同，它似乎完全可以獨立于核DNA的指揮進行自我復制，而這種獨立性至今讓人無法理解？所以以中心體為代表的某些細胞器可以在沒有DNA指導的情況下進行獨立復制，對于細胞而言是非常危險的，這意味著細胞存在不受核DNA控制的成分復制過程，所以這種獨立性至今仍然沒有完全獲得解釋：細胞為什么會出現這種獨立于DNA復制過程的成分合成？

對于細胞而言，DNA是人類和幾乎所有其他生物總的遺傳物質，生物體制造的所有蛋白質、酶、核糖體等物質成分的指令編碼都來源于DNA，它是生物細胞體保持穩定性的重要來源。人體內幾乎每個細胞都具有相同的DNA，大多數DNA位于細胞核中(稱為核DNA)，而少量DNA位于線粒體中(稱為線粒體DNA或mtDNA)，所以細胞復制所需要合成的蛋白質、糖類和脂類都是在核DNA的監控下完成的。線粒體因為是細胞內能量轉化的重要場所，所以細胞中線粒體的數量可以不受限制， 一個細胞內線粒體的數目可以從十幾個到數百個不等，越活躍的細胞含有的線粒體數目就越多，如心臟細胞和大腦細胞內含有線粒體的數目最大，而皮膚細胞含有線粒體的數目比較少。所以細胞讓線粒體保持相對獨立的復制能力是可以理解的，但無論如何它也是受線粒體中DNA所控制的。而對于中心體而言情況卻極為不同，中心體的復制幾乎獨立于DNA的控制，但它在細胞中卻始終能保持精準的數目，這就意味著中心體在細胞的一個分裂周期里也只能嚴格地分裂一次。

2. 中心體及自我獨立復制

中心體自我復制的獨特性讓人們對中心體進行了更詳細的研究。中心體一般存在于動物及低等植物的細胞中，它是一種無膜的細胞器，由兩個相互連接的中心粒、中心粒外周物質(pericentriolar materials, PCM)和一些附加結構組成。中心體位于細胞核附近的細胞質中，由于接近細胞中心，因此叫中心體。電子顯微鏡下中心體顯示主要由兩個相互垂直的圓柱形中心粒組成，中心粒是一個直徑約200 nm，長度約500 nm的圓柱形結構，由9個微管三聯體組成（見圖3所示）。 中心體是動物細胞的微管組織中心，中心粒也是一些細胞的初級纖毛、活動纖毛和鞭毛的起源。

圖3 中心體和中心粒圖像

DNA是遺傳信息的載體，它定義和調節著細胞生長的周期性進程。細胞周期本質上是一個核周期，或一個DNA周期，因為細胞各個階段都是基于DNA復制表達而發生的過程。然而，中心體的復制和分離卻是獨立于DNA復制和表達過程的另一個重要周期性事件：中心體周期。細胞以一個中心體的復制開始細胞周期，并且中心粒的復制受到精準限制，因此每個中心體周期僅在細胞中的特定位點發生一次。由于這種復制機制，兩個中心粒的年齡和成熟度不同，就具有不同的功能，兩個中心粒中較舊的中心粒可以啟動睫狀軸突的形成。

由于中心體具有獨立于DNA復制的自我周期，而且它似乎也是控制著細胞分裂的細胞周期，長期以來被認為是細胞的中心，但后來發現它只是細胞中微管的主要成核中心，在細胞有絲分裂中只是通過微管絲分離復制的染色體。而中心體的復制周期雖然表面獨立于DNA控制，但并不是失控的，除了少數例外，間期細胞中只有一個中心體，在細胞分裂之前中心體必須復制PCM，以便形成兩個新細胞繼承的單個中心體。中心體的中心粒只在大多數微管相關過程中發揮著重要作用，包括細胞運動、細胞分裂和細胞信號傳導。為了協調這些不同的細胞過程，中心粒數量會被嚴格控制。在每個細胞周期中（見圖4所示），一個新的中心粒在每個先前存在的中心粒旁邊形成，中心體復制過程的改變將導致癌癥和神經發育障礙等疾病。然而雖然中心體早在150年前就被發現，但中心體復制的機制及其在細胞周期進程中的調控仍未完全了解，目前對控制中心粒復制發生的分子機制以及它是不是真的獨立于DNA復制過程還沒有得到更好的理解。

圖4 中心體的自我復制周期（侵刪）

后記：你不知道的正是你無法掌控的，這里125個科學問題會讓你掌控自己更多。