研究揭示了卵细胞是如何变大的

生物学家和数学家的一项新研究表明，果蝇卵子的形成过程依赖于类似于不同大小气球之间气体交换的物理现象。

　　

卵细胞是迄今为止大多数生物产生的最大的细胞。在人类身上，它们比一般的身体细胞大好几倍，比精子细胞大大约10000倍。

卵细胞或卵母细胞如此之大是有原因的：它们需要积累足够的营养来支持受精后正在发育的胚胎，再加上线粒体来支持所有的生长。然而，生物学家还不完全了解卵细胞是如何变大的。

一项由麻省理工学院生物学家和数学家组成的研究小组对果蝇进行的新研究表明，受精前卵母细胞显著快速生长的过程依赖于类似于细胞间气体交换的物理现象不同大小的气球。具体来说，研究人员表明，围绕着大得多的卵母细胞的“护理细胞”将其内容物倾倒到大细胞中，就像在实验装置中用小管连接时，空气从小气球流入大气球一样，麻省理工学院物理应用数学副教授J&ouml；rn Dunkel说：“大自然如何利用物理过程来创造这种强大的机制。”如果你想发育成胚胎，其中一个目标就是使事物具有很强的可复制性，而物理学为实现某些运输过程提供了一种非常有效的方法。”

<Dunkel和麻省理工学院生物学副教授Adam Martin是这篇论文的资深作者，这篇论文发表在本周的《美国国家科学院刊》上这项研究的主要作者是博士后贾斯敏·伊姆兰·阿尔萨斯和研究生尼古拉斯·罗密欧。哈佛大学研究生乔纳森·杰克逊（Jonathan Jackson）和范德比尔特大学医学院（Vanderbilt University School of Medicine）研究助理教授弗兰克·梅森（Frank Mason）也是这篇论文的作者。

在雌性果蝇中，卵在称为囊肿的细胞簇中发育。一个未成熟的卵母细胞经历四个细胞分裂周期，产生一个卵细胞和15个哺乳细胞。然而，细胞分离是不完全的，每个细胞都通过狭窄的通道与其他细胞相连，这些通道起着瓣膜的作用，使物质能够在细胞之间通过。

马丁实验室的成员开始研究这个过程，因为他们对肌球蛋白有着长期的兴趣，一类蛋白质，可以作为运动细胞并帮助肌肉细胞收缩。伊姆兰·阿尔索斯对果蝇卵子的形成进行了高分辨率的实时成像，发现肌球蛋白确实发挥了作用，但只在运输过程的第二阶段起作用。在最早的阶段，研究人员很困惑地发现，细胞似乎根本没有增加收缩力，这表明除了“挤压”之外，还有一种机制在启动运输过程。

“这两个阶段非常明显，”马丁说在我们看到这一点之后，我们感到困惑，因为肌球蛋白的变化与这个过程的开始并不相关，这正是我们所期望看到的。”

马丁和他的实验室随后与研究软表面和流动物质物理的邓克尔联手。邓克尔和罗密欧想知道这些细胞的行为是否与不同大小的气球连接时的行为相同。虽然人们可能会认为较大的气球会向较小的气球泄漏空气，直到它们达到相同的尺寸，但实际发生的情况是，空气从较小的气球流向较大的气球。

这是因为曲率较大的较小的气球比较大的气球承受更多的表面张力，从而产生更高的压力。因此，空气被挤出较小的气球，进入较大的气球。”这是违反直觉的，但这是一个非常强大的过程，”邓克尔说。

研究人员通过调整已经推导出的数学方程来解释这种“双气球效应”，提出了一个模型，描述了细胞内容物如何从15个小护士细胞转移到大卵母细胞，根据它们的大小和相互之间的联系。最靠近卵母细胞的一层中的护理细胞首先转移其内容物，然后是较远层中的细胞。

“在我花了一段时间建立了一个更复杂的模型来解释16细胞问题之后，我们意识到简单的16气球系统的模拟看起来非常像16细胞网络。令人惊讶的是，这些违反直觉但数学上简单的想法如此完美地描述了这个过程，”罗密欧说。

护士细胞倾倒的第一阶段似乎与连接细胞的通道变大到足以让细胞质穿过它们时相吻合。一旦滋养细胞缩小到原来大小的25%左右，只剩下比细胞核稍大的部分，这个过程的第二阶段就被触发，肌球蛋白收缩迫使滋养细胞的剩余内容物进入卵细胞细胞只是均匀收缩。然后，第二个过程开始进行到最后，你开始得到更活跃的挤压，或细胞蠕动样的变形，从而完成倾倒过程，”马丁说。

细胞合作

这一发现证明了细胞如何利用生物和物理机制协调它们的行为，为了实现组织水平的行为，伊姆兰·阿尔索斯说：“这里，你有几个护理细胞，它们的工作是护理未来的卵细胞，为了做到这一点，这些细胞似乎以协调和定向的方式将它们的内容物运输到卵母细胞，“她说，

果蝇和其他无脊椎动物的卵母细胞和早期胚胎发育与哺乳动物的卵母细胞和早期胚胎发育有一些相似之处，但还不清楚人类或其他哺乳动物是否也有同样的卵细胞生长机制，研究人员说：“在老鼠身上有证据表明卵母细胞与其他相互连接的细胞一起发育成一个囊肿，它们之间有一些运输，但我们不知道我们在哺乳动物身上看到的机制是否起作用，”马丁说。“研究人员现在正在研究是什么触发了第二个肌球蛋白驱动的胚胎发育阶段。”开始倾倒过程。他们也在研究护士细胞原始大小的改变如何影响卵子的形成。

这项研究由国家普通医学科学研究所资助，该研究是由詹姆斯·S·麦克唐纳基金会颁发的复杂系统学者奖和罗伯特·E·柯林斯杰出奖学金基金资助的

Journal Reference:

1. Jasmin Imran Alsous, Nicolas Romeo, Jonathan A. Jackson, Frank M. Mason, J&ouml;rn Dunkel, Adam C. Martin. Dynamics of hydraulic and contractile wave-mediated fluid transport during Drosophila oogenesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (10): e2019749118 DOI: 10.1073/pnas.2019749118

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Massachusetts Institute of Technology. "Study reveals how egg cells get so big: Oocyte growth relies on physical phenomena that drive smaller cells to dump their contents into a larger cell." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 March 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210306113142.htm>.

Massachusetts Institute of Technology. (2021, March 6). Study reveals how egg cells get so big: Oocyte growth relies on physical phenomena that drive smaller cells to dump their contents into a larger cell. ScienceDaily. Retrieved March 6, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210306113142.htm

Massachusetts Institute of Technology. "Study reveals how egg cells get so big: Oocyte growth relies on physical phenomena that drive smaller cells to dump their contents into a larger cell." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210306113142.htm (accessed March 6, 2021).