Science：震惊！首次发现动物卵子的细胞质竟可破镜重圆
来源：本站原创 2019-11-02 06:40
2019年11月2日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，美国斯坦福大学医学院生物化学教授、化学与系统生物学教授James Ferrell博士和博士后研究员Xianrui Cheng博士发现破裂的非洲爪蟾卵的细胞质会自发地自我组装为细胞状区室。相关研究结果发表在2019年11月1日的Science期刊上，论文标题为“Spontaneous emergence of cell-like or
2019年11月2日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，美国斯坦福大学医学院生物化学教授、化学与系统生物学教授James Ferrell博士和博士后研究员Xianrui Cheng博士发现破裂的非洲爪蟾卵的细胞质会自发地自我组装为细胞状区室。相关研究结果发表在2019年11月1日的Science期刊上，论文标题为“Spontaneous emergence of cell-like organization in Xenopus egg extracts”。
Ferrell博士说，“我们都惊呆了。如果将遭受破坏的计算机的零件混合在一起，最终仍然小片的计算机零件，它们甚至无法做到两个零件加两个零件地组装在一起。但是，瞧，细胞质会自我组装。”
值得注意的是，这些自组装的细胞状区室保留了进行分裂的能力，并且可以形成更小的区室。先前的研究表明，某些亚细胞结构（比如中心体和内质网）可以通过它们的纯化组分在细胞外自组装在一起，这表明这些结构具有一定的自组装能力。但是，这项新研究在整个细胞的规模和复杂性上提供了自组装的第一个例子。
区室自发形成
这一发现依赖于Cheng博士的观察。在研究一种称为程序性细胞死亡的分子过程时，他注意到在装有来自非洲爪蟾卵的细胞质提取物的试管中，细胞核表现出异常的行为。Cheng博士说，大约30分钟后，这些细胞核已组装好并使得两个细胞核之间的距离几乎相等。当他在显微镜载玻片上对细胞质提取物进行成像观察时，他发现细胞质提取物形成了类似于一层细胞的独特区室。
Cheng博士说，“在提取非洲爪蟾卵的细胞质后，请注意，细胞质已被均质化，它的空间结构已被完全破坏，这时仅让它在室温下放置，它就会自我组装并形成较小的细胞状单元。这真是太神奇了。”不论是否添加非洲爪蟾精子的细胞核，这些细胞状区室都会形成，这表明这种自组装行为依赖于卵子中固有的物质。
为了了解这种现象背后的机制，Cheng博士和Ferrell博士测试了当添加针对细胞骨架蛋白、马达蛋白（motor protein）和激活其他蛋白的激酶的化学抑制剂时，这种区室形成是否受到影响。这种方法揭示ATP（细胞的主要能量来源）和微管（提供结构支持的细胞骨架细丝）都是区室形成所必需的。作为一种马达蛋白，动力蛋白（dynein）是正确的微管定位所必需的。
自组装的区室可进行分裂
这些细胞状区室不仅看起来像细胞；它们也能够分裂。Cheng博士和Ferrell博士在鉴定区室形成时使用的非洲爪蟾卵提取物含有一种阻止细胞进入细胞周期的化学物。当移除这种化学物并添加非洲爪蟾精子的细胞核时，这种卵提取物形成的区室经分裂后产生更小的区室。
他们发现，这些区室能够经历25轮以上的分裂，这表明这种过程是非常强健的。Cheng博士说，这种分裂也是还原性的，这是因为细胞质的总量保持恒定，并且在每个分裂周期，它会被分裂成越来越小的区室。他说：“从卵子中提取物质，它的分裂方式让人联想到胚胎发育。就像在真正的卵子里应该做的那样。”
未来发展方向
所有这些发现表明非洲爪蟾卵细胞质具有产生细胞基本空间组织的内在能力，甚至具有它的某些功能。然而，一个悬而未决的问题是这种现象在卵子的正常生理中起什么作用。另一个问题是这种自我组装的能力是卵子特有的还是其他类型的细胞共有的。
Cheng博士和Ferrell博士还希望进一步了解这种自组装发生的必要条件。Ferrell博士说：“我现在最喜欢的问题是，我们可以建立一个简单的模型来解释这种组装过程的内在机制吗？或者我们必须做一些非常复杂的事情，比如解释微管可以做的每一件事？”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Xianrui Cheng et al. Spontaneous emergence of cell-like organization in Xenopus egg extracts. Science, 2019, doi:10.1126/science.aav7793.
2.Timothy J. Mitchison et al. Toward synthetic cells. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz5635.
3.Cytoplasm of ruptured frog eggs organizes into cell-like structures that retain the ability to divide
https://phys.org/news/2019-11-cytoplasm-ruptured-frog-eggs-cell-like.html
在遭受破裂后，非洲爪蟾卵的细胞质会自发地自我组装为细胞状区室。细胞核用蓝色表示，微管用绿色表示，内质网用红色表示。图片来自Xianrui Cheng。
Ferrell博士说，“我们都惊呆了。如果将遭受破坏的计算机的零件混合在一起，最终仍然小片的计算机零件，它们甚至无法做到两个零件加两个零件地组装在一起。但是，瞧，细胞质会自我组装。”
值得注意的是，这些自组装的细胞状区室保留了进行分裂的能力，并且可以形成更小的区室。先前的研究表明，某些亚细胞结构（比如中心体和内质网）可以通过它们的纯化组分在细胞外自组装在一起，这表明这些结构具有一定的自组装能力。但是，这项新研究在整个细胞的规模和复杂性上提供了自组装的第一个例子。
区室自发形成
这一发现依赖于Cheng博士的观察。在研究一种称为程序性细胞死亡的分子过程时，他注意到在装有来自非洲爪蟾卵的细胞质提取物的试管中，细胞核表现出异常的行为。Cheng博士说，大约30分钟后，这些细胞核已组装好并使得两个细胞核之间的距离几乎相等。当他在显微镜载玻片上对细胞质提取物进行成像观察时，他发现细胞质提取物形成了类似于一层细胞的独特区室。
Cheng博士说，“在提取非洲爪蟾卵的细胞质后，请注意，细胞质已被均质化，它的空间结构已被完全破坏，这时仅让它在室温下放置，它就会自我组装并形成较小的细胞状单元。这真是太神奇了。”不论是否添加非洲爪蟾精子的细胞核，这些细胞状区室都会形成，这表明这种自组装行为依赖于卵子中固有的物质。
为了了解这种现象背后的机制，Cheng博士和Ferrell博士测试了当添加针对细胞骨架蛋白、马达蛋白（motor protein）和激活其他蛋白的激酶的化学抑制剂时，这种区室形成是否受到影响。这种方法揭示ATP（细胞的主要能量来源）和微管（提供结构支持的细胞骨架细丝）都是区室形成所必需的。作为一种马达蛋白，动力蛋白（dynein）是正确的微管定位所必需的。
自组装的区室可进行分裂
这些细胞状区室不仅看起来像细胞；它们也能够分裂。Cheng博士和Ferrell博士在鉴定区室形成时使用的非洲爪蟾卵提取物含有一种阻止细胞进入细胞周期的化学物。当移除这种化学物并添加非洲爪蟾精子的细胞核时，这种卵提取物形成的区室经分裂后产生更小的区室。
他们发现，这些区室能够经历25轮以上的分裂，这表明这种过程是非常强健的。Cheng博士说，这种分裂也是还原性的，这是因为细胞质的总量保持恒定，并且在每个分裂周期，它会被分裂成越来越小的区室。他说：“从卵子中提取物质，它的分裂方式让人联想到胚胎发育。就像在真正的卵子里应该做的那样。”
未来发展方向
所有这些发现表明非洲爪蟾卵细胞质具有产生细胞基本空间组织的内在能力，甚至具有它的某些功能。然而，一个悬而未决的问题是这种现象在卵子的正常生理中起什么作用。另一个问题是这种自我组装的能力是卵子特有的还是其他类型的细胞共有的。
Cheng博士和Ferrell博士还希望进一步了解这种自组装发生的必要条件。Ferrell博士说：“我现在最喜欢的问题是，我们可以建立一个简单的模型来解释这种组装过程的内在机制吗？或者我们必须做一些非常复杂的事情，比如解释微管可以做的每一件事？”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Xianrui Cheng et al. Spontaneous emergence of cell-like organization in Xenopus egg extracts. Science, 2019, doi:10.1126/science.aav7793.
2.Timothy J. Mitchison et al. Toward synthetic cells. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaz5635.
3.Cytoplasm of ruptured frog eggs organizes into cell-like structures that retain the ability to divide
https://phys.org/news/2019-11-cytoplasm-ruptured-frog-eggs-cell-like.html
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