?

卵細(xì)胞?圖片來(lái)源：Jezper / stock.adobe.com

本報(bào)訊?迄今為止，卵細(xì)胞是大多數(shù)生物體能夠產(chǎn)生的最大細(xì)胞。以人為例，人的卵細(xì)胞體積幾乎是精子細(xì)胞的10000倍。人們認(rèn)為卵細(xì)胞之所以體積很大，是要為后續(xù)發(fā)育儲(chǔ)備足夠養(yǎng)分。但卵細(xì)胞究竟是如何變大的？美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》日前發(fā)表的一篇論文對(duì)此進(jìn)行了研究。

科學(xué)家表示，卵細(xì)胞受精前的快速生長(zhǎng)過(guò)程有點(diǎn)像吹氣球，類似于大小氣球之間交換氣體的物理現(xiàn)象。但與直覺(jué)相反的是，在卵母細(xì)胞發(fā)育時(shí)，這一過(guò)程是反著來(lái)的：卵母細(xì)胞周圍那些體積更小的保育細(xì)胞，會(huì)紛紛將內(nèi)容物傾注給更大的卵母細(xì)胞。

這項(xiàng)研究以果蠅為模型，由麻省理工學(xué)院（MIT）的生物學(xué)家和數(shù)學(xué)家聯(lián)合完成。作者指出，這項(xiàng)研究揭示了自然界如何利用物理過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)大的生命機(jī)制，同時(shí)，該成果本身也是物理學(xué)和生物學(xué)結(jié)合的范例。

“成為胚胎的要件之一是高度可復(fù)制性，物理方法為某些運(yùn)輸環(huán)節(jié)提供了可靠保證。”論文通訊作者之一、MIT物理應(yīng)用數(shù)學(xué)助理教授約恩·鄧克爾表示。

雌性果蠅的卵母細(xì)胞發(fā)育經(jīng)歷4個(gè)周期，總計(jì)產(chǎn)生1個(gè)卵細(xì)胞和15個(gè)保育細(xì)胞。但在發(fā)育時(shí)，這些細(xì)胞間的分離并不完全，每個(gè)單元都通過(guò)狹窄的通道與其他單元保持連接，一些物質(zhì)會(huì)在彼此間流通。

此前，論文另一位通訊作者、MIT生物學(xué)助理教授亞當(dāng)·馬丁等人的工作之一便是研究肌球蛋白。這類蛋白質(zhì)可以充當(dāng)馬達(dá)、幫助肌肉細(xì)胞收縮。高清實(shí)時(shí)成像表明，果蠅的卵細(xì)胞發(fā)育時(shí)，肌球蛋白確實(shí)發(fā)揮了作用，但僅是在發(fā)育周期的第二個(gè)階段。

那么在第一個(gè)發(fā)育周期里，卵細(xì)胞經(jīng)歷了什么？研究人員并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞最初的收縮從何而來(lái)，這說(shuō)明除了肌球蛋白的擠壓，還有其他機(jī)制操控著細(xì)胞間的物質(zhì)運(yùn)輸。

因此，生物學(xué)家和物理學(xué)家開(kāi)始聯(lián)手。鄧克爾等人研究了卵細(xì)胞軟表面和流動(dòng)物質(zhì)的物理特性，并嘗試探明彼此相連的細(xì)胞如何變化。一開(kāi)始，研究小組以為這種物質(zhì)流動(dòng)類似于吹氣球，但實(shí)際上，這一過(guò)程更像“反向吹氣球”。

與較大的球囊相比，小球囊的曲率較大，承受的表面張力更大，壓力也更高。因此，空氣從較小的一方擠出，進(jìn)入較大的氣球。整個(gè)過(guò)程很穩(wěn)定，但卻違反直覺(jué)。

研究者根據(jù)這種傳遞過(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，最接近卵母細(xì)胞層的保育細(xì)胞會(huì)首先轉(zhuǎn)移內(nèi)容物，接著是較遠(yuǎn)的細(xì)胞。

當(dāng)細(xì)胞間的通道大到足以讓更多細(xì)胞質(zhì)通過(guò)時(shí)，保育細(xì)胞便開(kāi)始“卸貨”，這與卵細(xì)胞的第一個(gè)發(fā)育周期不謀而合。而在保育細(xì)胞縮小到原始大小的1/4時(shí)，第二個(gè)發(fā)育周期便會(huì)啟動(dòng)，肌球蛋白開(kāi)始工作，將保育細(xì)胞的剩余內(nèi)容物壓入卵細(xì)胞。

在第一階段，細(xì)胞內(nèi)幾乎沒(méi)有擠壓，一直均勻收縮；直到第二階段，卵細(xì)胞才更主動(dòng)地?cái)D壓、蠕動(dòng)、變形。

這些發(fā)現(xiàn)證明了細(xì)胞如何利用生物學(xué)和物理機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)其行為。保育細(xì)胞彼此間像說(shuō)好了一樣，以協(xié)調(diào)和定向的方式向卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)。

研究人員指出，果蠅和其他無(wú)脊椎動(dòng)物中的卵母細(xì)胞及早期胚胎發(fā)育與哺乳動(dòng)物有某些相似之處，但尚不清楚人類或其他哺乳動(dòng)物中是否有相同的卵細(xì)胞生長(zhǎng)機(jī)制。

此外，有證據(jù)表明，小鼠中也有類似的卵細(xì)胞發(fā)育機(jī)制，且細(xì)胞間有互通轉(zhuǎn)運(yùn)渠道，但尚不確定這些機(jī)制是否存在于更多哺乳動(dòng)物中。

接下來(lái)，研究人員將繼續(xù)研究肌球蛋白的啟動(dòng)原因，以及保育細(xì)胞的原始大小變化如何影響卵細(xì)胞的形成。（袁柳）

相關(guān)論文信息:

https://doi.org/10.1073/pnas.2019749118