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卵细胞为何比普通细胞大?MIT用雌性果蝇做实验,发现“双气球效应”神奇作用

Evelyn Zhang

卵细胞是大多数生物产生的最大的细胞。在人类中,它们比其他典型的身体细胞大几倍,比精子细胞大一万倍左右。这一现象让科学家们产生了一探究竟的想法。

结果他们发现,卵母细胞的生长依赖于一种“双气球效应”(two-balloon effect)物理现象,这种物理现象会驱使较小的细胞将其内容物“倾注”到较大的细胞中。

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卵细胞(或卵母细胞)之所以如此之大,从需求方面来看其实是有原因的: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。

麻省理工学院(MIT)的一个生物学家和数学家团队在果蝇中进行的一项新研究显示,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之间交换气体的物理现象。

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”(nurse cells),会将其内容物倾入更大的卵母细胞。这就像在实验装置中,当空气从一个较小的气球进入一个较大的气球时,它们被小管道连接在一起,灵活地完成互换的过程。

麻省理工学院物理应用数学副教授Jörn Dunkel说:“这项研究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。”

这篇论文发表在本周的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。Jörn Dunkel和麻省理工学院生物学副教授亚当·马丁(Adam Martin)是这篇论文的资深作者

在雌性果蝇中,卵子在称为包囊(cysts)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渗透和交换。

还对果蝇卵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,但只是在运输过程的第二阶段。在早期阶段,研究人员困惑地发现,细胞的收缩力似乎根本没有增强,这表明启动运输的不是“挤压”(squeezing),而是另一种机制。

研究人员想要知道,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——大气球会向小气球输气漏气,直到它们大小相同,但实际情况却有违直觉:空气从小气球流向了大气球。

这是因为曲率较大的小气球,比大气球承受了更多的表面张力,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。

根据已经推导出的数学公式来解释这种“双气球效应”(two-balloon effect),研究人员提出了一个模型,该模型描述了细胞内容物如何从15个小的“护理细胞”转移到大的卵母细胞,根据它们的大小和彼此之间的联系。最靠近卵母细胞层的护理细胞,首先会转移其内容物,然后是较远层的细胞转移。

当连接细胞的通道变得足够大,细胞质可以通过时,“护理细胞”倾倒交换的第一个阶段似乎正好吻合。一旦护理细胞缩小到原来大小的25%左右,只比细胞核稍大一点,这个过程的第二阶段就会触发——肌凝蛋白收缩,迫使护理细胞的剩余内容物进入卵细胞。

这些发现证明了细胞如何协调它们的行为,利用生物和物理机制,实现组织水平的行为。

研究人员表示,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有一些相似之处,但尚不清楚人类或其他哺乳动物是否也存在相同的卵细胞生长机制。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:https://scitechdaily.com/mit-biologists-and-mathematicians-reveal-how-egg-cells-get-so-big/


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