麻省理工学院的生物学家和数学家揭示了卵细胞是如何变大的

卵母细胞生长依赖于驱动较小细胞将它们的内容物倾倒到更大的细胞中的物理现象。

卵细胞是大多数生物产生的最大的细胞。在人类中，它们比典型的身体细胞大几倍，比精子细胞大一万倍左右。

卵细胞(或卵母细胞)之所以如此之大，是有原因的:它们需要积累足够的营养来支持受精后不断生长的胚胎，还需要线粒体为所有这些生长提供动力。然而，生物学家还没有完全了解卵细胞是如何变得如此巨大的。

一个研究小组对果蝇进行了一项新的研究麻省理工学院生物学家和数学家，揭示了卵母细胞在受精前显著而迅速增长的过程依赖于类似于不同大小的气球间气体交换的物理现象。具体来说，研究人员发现，围绕在更大的卵母细胞周围的“护理细胞”会将其内容物倾入更大的卵母细胞，就像在实验装置中，当空气从一个较小的气球进入到一个较大的气球时，通过小管道将它们连接起来。

麻省理工学院物理应用数学副教授Jörn Dunkel说:“这项研究俄罗斯比利时赔率显示了物理学和生物学是如何结合在一起的，以及大自然是如何利用物理过程来创造这种强大的机制的。”“如果你想像胚胎一样发育，目标之一就是让事物具有可重复性，而物理学为实现某些运输过程提供了一种非常强大的方法。”

Dunkel和Adam Martin，这是一个生物学的麻省理工学院副教授，是本文的高级作者，这是本周的俄罗斯比利时赔率国家科学院的诉讼程序。该研究的主要作者是博士后贾斯敏·伊姆兰·阿尔苏和研究生尼古拉斯·罗密欧。哈佛大学(Harvard University)研究生乔纳森·杰克逊(Jonathan Jackson)和范德堡大学(Vanderbilt University)医学院研究助理教授弗兰克·梅森(Frank Mason)也是这篇论文的作者。

一个物理过程

在雌性果蝇中，卵子在称为包囊的细胞簇中发育。未成熟卵母细胞经历四个细胞分裂周期，产生一个卵细胞和15个护理细胞。然而，细胞的分离是不完整的，每个细胞通过狭窄的通道与其他细胞相连，这些通道就像阀门一样，允许物质在细胞之间通过。

马丁实验室成员开始研究这一过程，因为他们对肌球蛋白的长期兴趣，一类可以充当电机并帮助肌肉细胞合同的蛋白质。Imran Alsous表演了高分辨率，果蝇的鸡蛋形成的活成像，发现肌球蛋白确实起到了作用，但只在运输过程的第二阶段。在最早的阶段，研究人员困惑地看到细胞根本没有提高其收缩力，这表明除了“挤压”之外的机制就会启动运输。

“这两个阶段非常明显，”马丁说。“在我们看到这个结果后，我们感到很困惑，因为肌凝蛋白的变化并没有与这个过程的开始相关，这是我们期待看到的。”

马丁和他的实验室随后与邓克尔合作，后者研究柔软表面和流动物质的物理学。邓克尔和罗密欧想知道，当这些细胞连接在一起时，它们的行为方式是否与不同大小的气球相同。人们可能会认为大气球会向小气球漏气，直到它们大小相同，但实际情况是空气从小气球流向大气球。

这是因为曲率较大的小气球比大气球承受更多的表面张力，因此压力也就更高。因此，空气被从小气球中挤出，进入大气球中。邓克尔说:“这有违直觉，但却是一个非常强大的过程。”

调整已经衍生的数学方程来解释这一“双气球效应”，研究人员提出了一种模型，该模型描述了如何根据其尺寸及其连接从15个小型护士细胞转移到大型卵母细胞的模型对彼此。在最接近卵母细胞的层中的护士细胞首先转移它们的内容物，然后在更远处的层中的细胞。

“在我花一些时间建立一个更复杂的模型来解释16个细胞问题后，我们意识到更简单的16 - 气球系统的仿真非常像16个单元网络。罗密欧说，这是令人惊讶的是，这是违反直觉但是数学上简单的想法描述了这个过程，“罗密欧说。

当连接细胞的通道变得足够大时，护士细胞倾倾的第一阶段似乎与细胞质相比足够大。一旦护士细胞缩小到其原始尺寸的约25％，将它们略大于其核，将触发过程的第二阶段，肌素收缩将护士细胞的剩余含量迫使将护士细胞的剩余物质缩放到卵细胞中。

“在这个过程的第一部分中，继续挤压很少，细胞恰好缩小。然后，第二个过程朝着最终开始朝着更加活跃的挤压，或者像细胞的蠕动形状的变形，完成倾倒过程，“马丁说。

细胞合作

调查结果表明，使用生物和物理机制，细胞如何协调其行为，以实现组织级别行为，伊姆兰阿尔斯说。

她说:“这里有几个护理细胞，它们的工作是护理未来的卵细胞，在此过程中，这些细胞似乎以一种协调的、定向的方式将其内容物运送到卵母细胞。”

研究人员说，果蝇和其他无脊椎动物中的卵母细胞和其他无脊椎动物的早期胚胎发育与哺乳动物的一些相似之处，但如果在人类或其他哺乳动物中可能会看到相同的卵细胞生长机制，则未知。

“在老鼠身上有证据表明，卵母细胞与其他相互连接的细胞形成囊肿，它们之间有一些运输，但我们不知道我们在这里看到的机制是否在哺乳动物中起作用，”马丁说。

研究人员现在正在研究是什么触发了释放过程的第二阶段，即肌球蛋白驱动阶段的开始。他们还在研究护理细胞原始大小的变化如何影响卵子的形成。

参考:Jasmin Imran Alsous, Nicolas Romeo, Jonathan A. Jackson, Frank M. Mason, Jörn Dunkel, and Adam C. Martin，《果蝇oogenesis中水力和收缩波介导的流体运输动力学》，2021年3月2日，国家科学院的诉讼程序。
DOI: 10.1073 / pnas.2019749118

该研究由国家一般医学科学研究所是来自詹姆斯S. McDonnell基金会的复杂系统学者奖，罗伯特·柯林斯杰出奖学金基金。