麻省理工学院的安妮·特拉顿 聚集的果蝇哺乳细胞将其内含物挤压成一个大的卵细胞
学分:麻省理工学院 卵细胞是大多数生物产生的最大细胞
在人类中，它们比典型的身体细胞大几倍，比精子细胞大约10000倍
卵细胞或卵母细胞如此之大是有原因的:它们需要积累足够的营养来支持受精后生长的胚胎，加上线粒体来推动所有的生长
然而，生物学家还不了解卵细胞如何变得如此巨大的全貌
麻省理工学院的生物学家和数学家在果蝇身上进行的一项新研究表明，卵母细胞在受精前显著快速生长的过程依赖于类似于不同尺寸气球之间气体交换的物理现象
具体来说，研究人员表明，围绕在大得多的卵母细胞周围的“哺乳细胞”会将它们的内容物倾倒在大细胞中，就像在实验装置中，当它们通过小管连接时，空气从小气球流入大气球一样
麻省理工学院物理应用数学副教授约恩·邓克尔(rn Dunkel)说:“这项研究展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创造出这种强大的机制的。”
“如果你想发展成胚胎，目标之一就是让事情变得非常具有可重复性，而物理学为实现某些运输过程提供了一种非常强大的方法
" 邓克尔和麻省理工学院生物学副教授亚当·马丁是这篇论文的资深作者，这篇论文发表在本周的《美国国家科学院院刊》上
这项研究的主要作者是博士后贾斯明·伊姆兰·艾尔索斯和研究生尼古拉斯·罗密欧
哈佛大学研究生乔纳森·杰克逊和范德比尔特大学医学院研究助理教授弗兰克·梅森也是这篇论文的作者
物理过程 在雌性果蝇中，卵在称为包囊的细胞群中发育
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个哺乳细胞
然而，细胞分离是不完全的，每个细胞通过狭窄的通道保持与其他细胞的连接，这些通道充当阀门，允许物质在细胞之间通过
马丁实验室的成员开始研究这一过程，因为他们对肌球蛋白有着长期的兴趣，肌球蛋白是一种可以充当马达并帮助肌肉细胞收缩的蛋白质
伊姆兰·艾尔索斯对果蝇的卵子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
在最早的阶段，研究人员困惑地发现，细胞似乎根本没有增加它们的收缩力，这表明除了“挤压”之外，还有一种机制在启动这种运输
“这两个阶段非常明显，”马丁说
“在我们看到这一点后，我们感到困惑，因为肌球蛋白真的没有与这一过程的开始相关的变化，而这正是我们所期望看到的
" 马丁和他的实验室随后与研究软表面和流动物质物理学的邓克尔联手
邓克尔和罗密欧想知道细胞的行为是否和不同大小的气球连接在一起时的行为相同
虽然人们可能会认为较大的气球会向较小的气球漏气，直到它们的尺寸相同，但实际发生的情况是空气从较小的气球流向较大的气球
研究人员表明，围绕在大得多的卵母细胞周围的“哺乳细胞”会将它们的内容物倒入大细胞中，就像在实验装置中，当它们通过小管连接时，空气从较小的气球流入较大的气球一样，如下所示
学分:麻省理工学院 这是因为曲率较大的小气球比大气球承受更大的表面张力，因此压力更大
因此，空气被迫离开小气球，进入大气球
“这是违反直觉的，但这是一个非常强大的过程，”邓克尔说
研究人员采用已经推导出的数学方程来解释这种“双气囊效应”，根据细胞的大小和相互之间的联系，他们提出了一个模型，描述了细胞内容物是如何从15个小的哺乳细胞转移到大的卵母细胞的
最靠近卵母细胞层的哺乳动物细胞首先转移其内含物，然后是更远的层的细胞
“在我花了一些时间建立了一个更复杂的模型来解释16个单元的问题之后，我们意识到更简单的16个气球系统的模拟看起来非常像16个单元的网络
令人惊讶的是，这种违反直觉但数学上简单的想法如此好地描述了这个过程，”罗密欧说
护士细胞倾倒的第一阶段似乎与连接细胞的通道变得足够大以使细胞质通过它们的时间相一致
一旦哺乳细胞收缩到原来大小的25%左右，只剩下比细胞核稍大的部分，这个过程的第二阶段就开始了，肌球蛋白的收缩迫使哺乳细胞的剩余成分进入卵细胞
“在这个过程的第一阶段，几乎没有挤压，细胞只是均匀收缩
然后，第二个过程在接近终点的时候开始，你开始得到更积极的挤压，或者细胞蠕动般的变形，从而完成倾倒过程，”马丁说
细胞合作 伊姆兰·艾尔索斯说，这些发现证明了细胞如何利用生物和物理机制协调它们的行为，从而产生组织水平的行为
“在这里，你有几个护士细胞，它们的工作是护理未来的卵细胞，为此，这些细胞似乎以协调和定向的方式将它们的内容物输送到卵母细胞，”她说
研究人员说，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有相同的卵细胞生长机制
马丁说:“有证据表明，在小鼠体内，卵母细胞与其他相互连接的细胞一起发育成囊肿，它们之间有一些运输，但我们不知道我们在这里看到的机制是否在哺乳动物中起作用。”
研究人员现在正在研究是什么触发了第二阶段，肌球蛋白驱动的倾倒过程
他们还在研究哺乳动物细胞原始大小的变化如何影响卵子的形成
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