研究人员揭开了卵细胞中漩涡的神秘面纱

卵细胞是地球上最大的单细胞。它们的大小通常是典型细胞大小的几倍到数百倍，使它们能够生长成整个生物体，但也使得在细胞周围运输营养物质和其他分子变得困难。科学家们早就知道，成熟的卵细胞(称为卵母细胞)会在内部产生螺旋状的液体流来输送营养物质，但这些液体流最初是如何产生的一直是个谜。

现在，由熨斗研究所的计算科学家与普林斯顿大学和西北大学的合作者领导的研究表明，这些看起来像微观龙卷风的流动是由一些细胞成分的相互作用有机产生的。他们的研究发表在《自然物理学》四月号上，利用理论、先进的计算机建模和果蝇卵细胞实验来揭示龙卷风的机制。研究结果正在帮助科学家更好地理解有关卵细胞发育和细胞运输的基本问题。

“我们的发现代表了这一领域的巨大飞跃，”合著者、Flatiron 研究所计算生物学中心(CCB)主任 Michael Shelley 说道。 “我们能够应用我们多年来开发的其他研究中的先进数值技术，这使我们能够比以前更好地研究这个问题。”

在典型的人类细胞中，典型的蛋白质分子通过扩散从细胞的一侧蜿蜒到另一侧只需要 10 到 15 秒;在一个小细菌细胞中，这一行程只需一秒钟即可完成。但在这里研究的果蝇卵细胞中，仅扩散就需要一整天的时间——对于细胞正常运作来说太长了。相反，这些卵细胞形成了“螺旋流”，围绕卵母细胞内部旋转，以快速分配蛋白质和营养物质，就像龙卷风可以比单独的风更快地将物质卷起和移动得更远、更快一样。

“受精后，卵母细胞将成为未来的动物，”该研究的合著者、普林斯顿大学和 CCB 的研究员 Sayantan Dutta 说。 “如果破坏卵母细胞的流动，产生的胚胎就不会发育。”

研究人员使用了由 Flatiron Institute 研究人员开发的名为SkellySim的先进开源生物物理学软件包。他们利用 SkellySim 对参与创建扭曲器的细胞组件进行了建模。其中包括微管(排列在细胞内部的柔性细丝)和分子马达，它们是充当细胞主力的特殊蛋白质，携带称为有效负载的特殊分子组。科学家们并不确定这些有效载荷是由什么组成的，但它们在产生流量方面发挥着关键作用。

研究人员模拟了数千个微管对负载分子马达施加的力做出反应时的运动。通过在实验和模拟之间反复进行，研究人员能够了解扭转流的结构以及它们是如何从细胞液体和微管之间的相互作用中产生的。

研究合著者、CCB 研究科学家 Reza Farhadifar 表示：“我们的理论工作使我们能够放大并以 3D 形式实际测量和可视化这些龙卷风。” “我们看到了这些微管如何仅通过自组织就可以产生大规模的流动，而无需任何外部线索。”

模型显示，卵母细胞内部的微管在分子马达的作用力下弯曲。当微管在此负载下弯曲或弯曲时，它会导致周围的液体移动，从而使其他微管重新定向。在足够大的弯曲微管组中，所有微管都朝同一方向弯曲，并且流体流动变得“协作”。随着微管集体弯曲，移动的有效载荷在整个鸡蛋上产生漩涡或扭转状的流动，帮助分子分散在细胞周围。有了扭曲器，分子可以在 20 分钟而不是 20 小时内穿过细胞。

“该模型表明，该系统具有令人难以置信的自我组织能力，可以创建这种功能流程，”雪莱说。 “而你只需要一些成分——只有微管、细胞的几何形状和携带有效载荷的分子马达。”

新发现为更好地了解卵细胞发育奠定了基础。这些结果还可以帮助揭开其他细胞类型中物质运输的神秘面纱。

“现在我们知道了这些扭曲物是如何形成的，我们可以提出更深层次的问题，比如它们如何混合细胞内的分子?”法哈迪法尔说道。 “这开启了理论与实验之间的新对话。”

杜塔说，这项新工作为微管提供了新的视角。微管在几乎所有真核生物(例如植物和动物)的各种细胞类型和细胞功能(例如细胞分裂)中发挥着核心作用。杜塔说，这使得它们成为“细胞工具箱中非常重要的一部分”。 “为了更好地理解它们的机制，我认为我们的模型将有助于推动细胞生物物理学中许多其他真正有趣的问题的发展。”