麻省理工学院生物学家和数学家揭示了鸡蛋细胞如何变得如此大

集群果蝇护士细胞将它们的内容物挤成大蛋细胞。

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。

蛋细胞是迄今为止大多数生物产生的最大细胞。在人类中，它们比典型的体细胞大数倍，比精子细胞大约10,000倍。

研究人员表明，围绕更大的卵母细胞将它们的内容物倾倒到较大的细胞中的“护士细胞”，只要空气在实验设置中通过小管连接到较大的气球中，如图所示。

蛋细胞或卵母细胞的原因是如此之大：他们需要积累足够的营养物质，以支持受精后胚胎不断增长，加上线粒体能够为所有这种增长提供动力。然而，生物学家尚未理解鸡蛋细胞如何变得如此大的完整情况。

MIT生物学家和数学家团队的果蝇的新研究表明，在施肥依赖于不同尺寸的气球之间的气体交换的物理现象依赖于物理现象之前，卵母细胞的过程中的过程中的过程中通过了显着迅速。具体而言，研究人员表明，围绕更大的卵母细胞将它们的内容物倾倒到较大的细胞中的“护士细胞”，只是当通过在实验设置中通过小管连接到较大的球囊中的空气流入较大的气囊中。

“该研究表明了物理和生物学如何汇集在一起​​，以及性质如何使用物理流程来创造这种强大的机制，”Impleation Mathematics的MIT副教授JörnDunkel说。“如果你想发展为胚胎，其中一个目标就是使物理学提供非常重大的实现某些运输过程的方式。”

Dunkel和Adam Martin是一个MIT生物学副教授，是本文的高级作者，这在本周在国家科学院的诉讼程序中出现。该研究的牵头作者是jasmin inmran美洲和研究生尼古拉斯罗密欧。Jonathan Jackson，哈佛大学研究生，Vanderbilt University医学院的研究助理教授和Frank Mason也是本文的作者。

物理过程

在女性果蝇中，鸡蛋在称为囊肿的细胞簇中发育。未成熟的卵母细胞经历四个细胞锁定循环，以产生一个卵细胞和15个护士细胞。然而，细胞分离是不完整的，并且每个细胞通过窄的通道保持与其他电池连接，该通道充当允许材料在细胞之间通过的阀门。

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。

“这两个阶段显而易见，”马丁说。“在我们看到这一点后，我们是神秘的，因为与这个过程的发作相关的肌球蛋白真的没有变化，这就是我们期望看到的。”

集群果蝇护士细胞将它们的内容物挤成大蛋细胞。

马丁和他的实验室随后与Dunkel一起加入武器，他研究软面和流动的物理。Dunkel和Romeo想知道细胞是否表现得相同，使不同尺寸的气球在连接时表现得相同。虽然人们可能期望较大的气球会泄漏到较小的气球，直到它们是相同的大小，实际发生的是空气从较小到更大的流量流动。

这种情况发生是因为具有更大曲率的较小的气球，经历更多的表面张力，因此比较大的球囊更高的压力。因此，空气被迫出较小的气球并进入较大的气球。“这是违反直觉的，但这是一个非常强大的过程，”Dunkel说。

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。

“在这里，你有几个护士细胞，这是一个工作，它是未来蛋细胞的作业，这样做，这些细胞似乎以协调和定向的方式运送到卵母细胞的内容，”她说。

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。

“小鼠有证据表明卵母细胞与其他相互连接的细胞的囊肿，它们之间存在一些运输，但我们不知道我们在这里看到的机制在哺乳动物中运作，”马丁说。

研究人员现在正在研究倾倒过程的第二个肌肉发电阶段的触发器。他们还调查了护士细胞的原始尺寸的变化可能会影响卵子形成。

参考：“Drosophila Oferocesis的液压和收缩波浪介导的液体运输的动态”由Jasmin Imran Alssous，Nicolas Romeo，Jonathan A. Jackson，Frank M. Mason，JörnDundunkel和Adam C. Martin，3月2021日，国家诉讼程序科学院.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。