一项新的研究表明，海鞘卵母细胞在受孕后利用内摩擦经历发育变化，这与陶工塑造粘土有着有趣的相似之处。海鞘是理解脊椎动物发育的关键模型，与人类有相似之处。来源:SciTechDaily.com
当陶工在纺车上工作时，他们的手和软粘土之间的摩擦帮助他们把它塑造成各种各样的形状和作品。一个有趣的相似现象是，海鞘卵母细胞(未成熟的卵细胞)在受孕后利用其内部不同隔室内的摩擦进行发育变化。奥地利科学技术研究所(ISTA)的海森堡小组发表在《自然物理学》上的一项研究，现在描述了这是如何工作的。
依附在礁石上的海鞘。海洋生物是研究脊椎动物发育过程的一个很好的模型。
多样的海洋生物:海鞘的世界
海洋里充满了迷人的生命形式。从藻类和五颜六色的鱼到海蜗牛和海鞘，一个完全不同的世界在水下展现出来。特别是海鞘或海鞘是非常不寻常的:在自由移动的幼虫阶段之后，幼虫定居下来，附着在岩石或珊瑚等固体表面上，并发育出管状(虹吸管)，这是它们的特征。虽然它们成年后看起来像橡胶团，但它们是与人类关系最密切的无脊椎动物亲戚。特别是在幼虫阶段，海鞘与我们惊人地相似。
因此，海鞘经常被用作研究人类所属脊椎动物早期胚胎发育的模式生物。奥地利科学技术研究所(ISTA)教授卡尔-菲利普·海森堡(Carl-Philipp Heisenberg)解释说:“虽然海鞘表现出脊椎动物的基本发育和形态特征，但它们也具有无脊椎动物典型的细胞和基因组简单性。”“特别是海鞘幼虫是了解早期脊椎动物发育的理想模型。”
研究人员标记了肌动球蛋白皮层(左，绿色染色)和肌浆(右，蓝色染色)的肌动蛋白，以可视化它们在卵母细胞受精后的运动。当肌动球蛋白皮层在卵的下部移动时，它会与肌浆发生机械作用，导致肌浆弯曲。这些扣最终分解成收缩极。图片来源:?Caballero-Mancebo等人/Nature Physics
他的研究小组发表在《自然物理学》(Nature Physics)杂志上的最新研究成果，现在为它们的发展提供了新的见解。研究结果表明，在海鞘卵母细胞受精时，摩擦力在重塑和重组其内部中起着至关重要的作用，预示着其发育级联的下一步。
解码卵母细胞转化
卵母细胞是参与生殖的雌性生殖细胞。在与雄性精子成功受精后，动物卵母细胞通常经历细胞质重组，改变其细胞含量和成分。这一过程为胚胎的后续发育奠定了基础。例如，在海鞘中，这种重组导致了钟状突起的形成——一个小凸起或鼻子形状——被称为收缩极(CP)，在那里聚集了促进胚胎成熟的必要物质。然而，驱动这一过程的潜在机制尚不清楚。
收缩极的形成。受精卵后海鞘卵母细胞形态变化的显微时间推移:从未受精卵到收缩极起始到收缩极形成再到收缩极吸收。图片来源:?Caballero-Mancebo等人/Nature Physics
一组来自意大利理工学院、巴黎城市大学、法国国家科学研究中心、伦敦国王学院和索邦大学的科学家开始破解这个谜团。为此，海森堡小组从法国罗斯科夫海洋站引进了成年海鞘。几乎所有的海鞘都是雌雄同体，因为它们同时产生雄性和雌性生殖细胞。“在实验室里，我们以一种适合物种的方式将它们放在盐水池中，以获得卵子和精子，用于研究它们的早期胚胎发育，”这项研究的第一作者、海森堡实验室以前的博士生西尔维娅·卡瓦罗-曼塞博说。
收缩极的形成。受精后海鞘卵母细胞细胞形态变化的显微时间推移:从未受精卵(左一)到收缩极起始(左二和左三)和收缩极形成(左四)。图片来源:?Caballero-Mancebo等人/Nature Physics
科学家们在显微镜下分析了受精卵海鞘的卵母细胞，并意识到它们在细胞形状上发生了非常可复制的变化，导致了收缩极的形成。研究人员的第一个研究集中在肌动球蛋白(细胞)皮层上，这是一种在动物细胞的细胞膜下发现的动态结构。它由肌动蛋白丝和运动蛋白组成，通常作为细胞形状变化的驱动因素。
“我们发现，当细胞受精时，肌动球蛋白皮层的张力增加导致其收缩，导致其运动(流动)，导致细胞形状的初始变化，”cabalero - mancebo继续说道。然而，在收缩极扩张期间，肌动球蛋白的流动停止了，这表明还有其他因素导致了这种突起。
西尔维亚Caballero-Mancebo。这位ISTA的毕业生在解开大自然的谜题并将其转化为叙事中找到了极大的乐趣。图片来源:?Nadine Poncioni/ISTA
摩擦力影响电池的重塑
科学家们仔细研究了其他可能在收缩极扩张中起作用的细胞成分。在这样做的过程中，他们遇到了肌浆，这是一层由细胞内细胞器和分子组成的层(在许多脊椎动物和无脊椎动物的卵子中发现了它们的相关形式)，位于海鞘卵细胞的下部。“这个特殊的层表现得像一个有弹性的固体——在受精过程中它会随着卵母细胞改变形状，”Caballero-Mancebo解释说。
卡尔-菲利普·海森堡在奥地利科学技术研究所(ISTA)。斯塔斯塔大学的细胞生物学家研究小组研究海鞘和斑马鱼，试图了解在发育过程中，非结构化的细胞群是如何转变成复杂形状的。图片来源:?Nadine Poncioni/ISTA
在肌动球蛋白皮层流动过程中，由于两种成分之间建立的摩擦力，肌浆折叠并形成许多扣。当肌动球蛋白停止运动时，摩擦力也随之消失。“这种停止最终导致收缩极的扩张，因为多个肌质扣分解成明确的钟状凸起，”cabalero - mancebo补充说。
这项研究为机械力如何决定细胞和有机体的形状提供了新的见解。这表明摩擦力对于形成和形成一个进化的有机体是至关重要的。然而，科学家们才刚刚开始了解摩擦在胚胎发育中的具体作用。海森堡补充说:“肌浆也很有趣，因为它也参与了海鞘的其他胚胎过程。探索其不寻常的材料特性，并掌握它们如何在塑造海鞘中发挥作用，将是非常有趣的。”
参考文献:“摩擦力决定海鞘卵子受精后细胞质重组和形状变化”，作者:Silvia Caballero-Mancebo, Rushikesh Shinde, Madison Bolger-Munro, Matilda Peruzzo, Gregory Szep, Irene Steccari, David Labrousse-Arias, Vanessa Zheden, Jack Merrin, Andrew Callan-Jones, Rapha?l Voituriez和Carl-Philipp Heisenberg, 2024年1月9日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 023 - 02302 - 1
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