揭示卵母細胞中促進細胞質(zhì)與卵黃分離的機制

在早期魚胚中卵黃與周圍細胞質(zhì)的分離是仔魚（fish larva）發(fā)育的關(guān)鍵過程。在一項新的研究中，為了確定它的內(nèi)在機制，來自奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)細胞中的大量肌動蛋白動力學(xué)特性促進斑馬魚卵母細胞的相分離。相關(guān)研究結(jié)果于2019年5月9日在線發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Bulk Actin Dynamics Drive Phase Segregation in Zebrafish Oocytes”。

在受精后不到兩小時內(nèi)，單細胞魚卵就會演變成多細胞胚胎。在這兩個小時內(nèi)，后來形成動物體的細胞質(zhì)必須與卵黃完全分離。以前，細胞生物學(xué)家已提出在卵的一極處的細胞表面局部擴張介導(dǎo)了這種分離。但是，缺乏支持這種模式的直接證據(jù)。

攜手合作：實驗室實驗和物理理論

為了理解這種分離過程的物理基礎(chǔ)，發(fā)育生物學(xué)家Carl-Philipp Heisenberg研究團隊的Shayan Shamipour博士生與理論物理學(xué)家Edouard Hannezo的研究團隊攜手合作?；谶@兩個研究團隊的綜合專業(yè)知識，這些研究人員揭示出在細胞表面施加的力對于這一過程并不是必需的---這就與之前的模型相反。相反，他們發(fā)現(xiàn)在胚胎內(nèi)部的拉力和推力共同作用下，卵黃顆粒（yolk granule）與細胞質(zhì)更容易分離開來。重要的是，這種用于描述這一過程的理論可以應(yīng)用于由于可動流體施加的力引起的任何分離，因此也可能用于探究哺乳動物/人類胚胎中的類似過程。

大小比較重要

但是這些聯(lián)合作用的拉力和推力運動是如何產(chǎn)生的呢？在遠離細胞表面的細胞部分中，肌動蛋白和肌球蛋白---也參與肌細胞收縮的蛋白---的細絲形成致密的網(wǎng)狀物。這種網(wǎng)狀物的聚合和收縮觸發(fā)肌動蛋白流向卵的動物極，這個半球?qū)⒎只珊髞淼呐咛?。通過被動摩擦力，這些肌動蛋白沿著細胞質(zhì)拖拽。相比之下，較大的卵黃顆粒不會被肌動蛋白拖拽，這是因為它們與肌動蛋白的摩擦力要小得多。相反，它們被類似彗星的肌動蛋白結(jié)構(gòu)---特定的肌動蛋白結(jié)構(gòu)，它的功能在發(fā)育過程中從未報道過--積極地推向或擠向卵的植物極。這些拉力和推力的聯(lián)合作用確保了細胞質(zhì)和卵黃顆粒在發(fā)育中的胚胎內(nèi)的牢固分離。

觀察更暗的區(qū)域

通過更仔細地探究細胞的更深部分，這些研究人員發(fā)現(xiàn)，在細胞表面的動物極擴張對于卵黃-細胞質(zhì)分離并不是必需的。Shamipour說，“細胞表面的肌動蛋白結(jié)構(gòu)看起來非常明亮，因此很容易研究。也許這就是為什么科學(xué)家們到目前為止只是錯過了更深入地研究更暗的大塊區(qū)域，這一更暗的區(qū)域構(gòu)成了細胞的大部分。”優(yōu)化的圖像處理使得他們能夠在受精后立即仔細研究魚卵的發(fā)育。但是，正如Shamipour所說，成功的另一個關(guān)鍵是：“為了捕捉卵發(fā)育的最初時刻，我們必須非常快：每當(dāng)其中的一條魚開始將它的卵放入水中時，我會按下秒表上的‘開始’鍵，我的同事們會看到我從養(yǎng)魚設(shè)施飛奔到顯微鏡室觀察并記錄這一過程。”

好奇心驅(qū)動的團隊外于**狀態(tài)

根據(jù)這位具有物理學(xué)背景的細胞生物學(xué)家的說法，Shamipour一度對目前流行的基于表面的解釋持懷疑態(tài)度：“胚胎遵循著一個大的目標(biāo)：它必須在很短的時間內(nèi)從一個細胞分裂成幾千個細胞。因此很明顯的是，單靠這種提出的表面機制不能完成這種分離，胚胎必須想出一些其他的機制來加快這一過程?！闭沁@位年輕科學(xué)家受好奇心引導(dǎo)的態(tài)度與Heisenberg和Hannezo研究團隊的跨學(xué)科研究文化相結(jié)合使得Shamipour能夠識別和分析至關(guān)重要的細胞過程。