03 細胞核 The Nucleus

  雖然細胞核是細胞內最大、最明顯的細胞器，但由於細胞核生化成分分離難度較高，因此針對細胞核內生化過程的研究比細胞質研究更為困難。得益於過去10年間的技術革新，我們現在已經知曉細胞核是細胞中最緻密，也可能是最活躍的地方。DNA、RNA的合成以及核糖體的組裝涉及了核質間的大量相互作用以及核內容物的持續性重定位活動。接下來，我們將由外而內地對細胞核結構進行闡述。

  首先，讓我們一起了解一下細胞核與細胞質之間的邊界——核膜。核膜將細胞核內容物與細胞質相間隔開，同時控制著兩部分之間持續而大量的分子交換行為。那麼，為什麼細菌等原核生物沒有細胞核也能以驚人的速度增殖，而真核生物卻要給自己製造出這麼一個麻煩？事實上，就細菌而言，在數量上它們的確是成功的，但就本質而言，細菌也「僅有此一技之長」。儘管繁殖能力很強，同時保留有足夠的遺傳變異性（從而導致抗藥性菌株的不斷出現），但作為簡單的單細胞生物，細菌已經達到了自己的極限。如果將地球上生命體數量多寡與是否成功相掛鉤，那麼細菌無疑可以排在首位。然而，就生物的複雜性而言，細菌卻是地球上最簡單也是最原始的生物。此外，細菌還是地球上最古老的生命體，距今已存在有大約40億年的時間，因此，細菌也為所有後續出現的生命提供了原材料。地球上生物進化的最重要的一步是從原核細胞轉化為真核細胞，即出現了包含遺傳物質且具有獨立膜結構的細胞核，這才進一步促成了我們今天所知道的這些生命的增殖與巨大變化的發生。細胞核是如何出現的，目前還不清楚，但這可能是小細菌被大細菌吞噬的結果。被吞噬後，較小的細菌「接管」了較大的細菌，或是隨著DNA在核膜內的分配而發生內共生（endosymbiosis）。儘管細胞生物學界普遍認為線粒體和葉綠體起源於吞噬作用，但對於細胞核的起源，目前尚無共識。

  

  細胞將其遺傳藍圖封存於細胞內的小室中，這一舉措促使了單細胞與多細胞真核生物的多樣性發展。每個人類個體均可以產生大約15萬種不同的蛋白質，但這些蛋白質並非存在於每一個細胞中，而是分布於全身各種組織中。儘管我們只有23 600個基因，但由於基因信息可以在轉錄（從DNA到RNA的信息傳遞）後於細胞核內部以及在細胞核外部（通過添加脂質與糖類等簡單的化學結構）進行修改，因此大大增加了我們體內蛋白質的總數量。如進行對比，那麼在靈長類生殖器中所發現的生殖道支原體可能是最簡單的細菌，含有大約500個基因；大腸桿菌作為常見的腸道細菌，含有4300個基因；而最小的流感病毒（需要劫持感染的宿主細胞來完成自我複製）則含有11個基因。

  核內容物與細胞質的分離使得真核細胞與原核生物相比，更有可能變得更大、更複雜。細菌中的環狀DNA分子可以附著在細胞膜內側的不同位置，並可能遍布於整個細胞。這對於如大腸桿菌一般擁有460萬個核苷酸鹼基對（攜帶著遺傳密碼）的DNA基因組而言是沒有問題的。然而，人類細胞的DNA長度增加了1000倍，因此，當DNA集中在細胞核內部時，才能更容易從31億個鹼基對中找到長度僅為幾百個鹼基對的特定基因。此外，將DNA束縛於細胞核中還可以避免細胞骨架與細胞質中細胞器對其潛在的干擾。而原核生物則不存在這樣的問題，因為原核生物的DNA很短（且為環形結構），並且細胞內幾乎不存在任何細胞骨架結構。