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Cell:挑战现有理论!揭示卵母细胞中促进细胞质与卵黄分离的机制

来源:本站原创 2019-05-19 20:38

2019年5月19日讯/生物谷BIOON/---在早期鱼胚中卵黄与周围细胞质的分离是仔鱼(fish larva)发育的关键过程。在一项新的研究中,为了确定它的内在机制,来自奥地利科学技术研究所的研究人员发现细胞中的大量肌动蛋白动力学特性促进斑马鱼卵母细胞的相分离。相关研究结果于2019年5月9日在线发表在Cell期刊上,论文标题为“Bulk Actin Dynamics Drive Phase Segregation in Zebrafish Oocytes”。
图片来自Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.030。

在受精后不到两小时内,单细胞鱼卵就会演变成多细胞胚胎。在这两个小时内,后来形成动物体的细胞质必须与卵黄完全分离。以前,细胞生物学家已提出在卵的一极处的细胞表面局部扩张介导了这种分离。但是,缺乏支持这种模式的直接证据。

携手合作:实验室实验和物理理论

为了理解这种分离过程的物理基础,发育生物学家Carl-Philipp Heisenberg研究团队的Shayan Shamipour博士生与理论物理学家Edouard Hannezo的研究团队携手合作。基于这两个研究团队的综合专业知识,这些研究人员揭示出在细胞表面施加的力对于这一过程并不是必需的---这就与之前的模型相反。相反,他们发现在胚胎内部的拉力和推力共同作用下,卵黄颗粒(yolk granule)与细胞质更容易分离开来。重要的是,这种用于描述这一过程的理论可以应用于由于可动流体施加的力引起的任何分离,因此也可能用于探究哺乳动物/人类胚胎中的类似过程。

大小比较重要

但是这些联合作用的拉力和推力运动是如何产生的呢?在远离细胞表面的细胞部分中,肌动蛋白和肌球蛋白---也参与肌细胞收缩的蛋白---的细丝形成致密的网状物。这种网状物的聚合和收缩触发肌动蛋白流向卵的动物极,这个半球将分化成后来的胚胎。通过被动摩擦力,这些肌动蛋白沿着细胞质拖拽。相比之下,较大的卵黄颗粒不会被肌动蛋白拖拽,这是因为它们与肌动蛋白的摩擦力要小得多。相反,它们被类似彗星的肌动蛋白结构---特定的肌动蛋白结构,它的功能在发育过程中从未报道过--积极地推向或挤向卵的植物极。这些拉力和推力的联合作用确保了细胞质和卵黄颗粒在发育中的胚胎内的牢固分离。

观察更暗的区域

通过更仔细地探究细胞的更深部分,这些研究人员发现,在细胞表面的动物极扩张对于卵黄-细胞质分离并不是必需的。Shamipour说,“细胞表面的肌动蛋白结构看起来非常明亮,因此很容易研究。也许这就是为什么科学家们到目前为止只是错过了更深入地研究更暗的大块区域,这一更暗的区域构成了细胞的大部分。”优化的图像处理使得他们能够在受精后立即仔细研究鱼卵的发育。但是,正如Shamipour所说,成功的另一个关键是:“为了捕捉卵发育的最初时刻,我们必须非常快:每当其中的一条鱼开始将它的卵放入水中时,我会按下秒表上的‘开始’键,我的同事们会看到我从养鱼设施飞奔到显微镜室观察并记录这一过程。”

好奇心驱动的团队外于最佳状态

根据这位具有物理学背景的细胞生物学家的说法,Shamipour一度对目前流行的基于表面的解释持怀疑态度:“胚胎遵循着一个大的目标:它必须在很短的时间内从一个细胞分裂成几千个细胞。因此很明显的是,单靠这种提出的表面机制不能完成这种分离,胚胎必须想出一些其他的机制来加快这一过程。”正是这位年轻科学家受好奇心引导的态度与Heisenberg和Hannezo研究团队的跨学科研究文化相结合使得Shamipour能够识别和分析至关重要的细胞过程。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Shayan Shamipour et al. Bulk Actin Dynamics Drive Phase Segregation in Zebrafish Oocytes. Cell, 2019, doi:10.1016/j.cell.2019.04.030.
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