Есть причина, по которой яйцеклетки или ооциты такие большие: они должны накапливать достаточно питательных веществ, чтобы поддерживать растущий эмбрион после оплодотворения, а также митохондрии для обеспечения всего этого роста. Однако биологи еще не понимают полной картины того, как яйцеклетки становятся такими большими.
Новое исследование плодовых мушек, проведенное группой биологов и математиков Массачусетского технологического института, показывает, что процесс значительного и быстрого роста ооцита до оплодотворения зависит от физических явлений, аналогичных обмену газов между воздушными шарами разного размера. В частности, исследователи показали, что «клетки-медсестры», окружающие гораздо более крупный ооцит, сбрасывают свое содержимое в более крупную клетку, точно так же, как воздух течет из меньшего баллона в больший, когда они соединены небольшими трубками в экспериментальной установке.
«Исследование показывает, как соединяются физика и биология, и как природа может использовать физические процессы для создания этого надежного механизма», – говорит Йорн Дункель, доцент кафедры физической прикладной математики Массачусетского технологического института. "Если вы хотите развиваться как эмбрион, одна из целей – сделать вещи очень воспроизводимыми, а физика обеспечивает очень надежный способ достижения определенных транспортных процессов."
Дункель и Адам Мартин, адъюнкт-профессор биологии Массачусетского технологического института, являются старшими авторами статьи, которая публикуется на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущими авторами исследования являются постдок Жасмин Имран Алсус и аспирант Николас Ромео. Джонатан Джексон, аспирант Гарвардского университета, и Фрэнк Мейсон, доцент-исследователь Медицинского факультета Университета Вандербильта, также являются авторами статьи.
Физический процесс
У самок плодовых мушек яйца развиваются в кластерах клеток, известных как цисты. Незрелый ооцит претерпевает четыре цикла деления клеток, чтобы произвести одну яйцеклетку и 15 клеток-медсестер.
Однако разделение ячеек неполное, и каждая ячейка остается связанной с другими узкими каналами, которые действуют как клапаны, позволяющие материалу проходить между ячейками.
Члены лаборатории Мартина начали изучать этот процесс из-за их давнего интереса к миозину, классу белков, которые могут действовать как двигатели и помогать мышечным клеткам сокращаться.
Имран Алсус выполнил живую визуализацию с высоким разрешением образования яиц у плодовых мушек и обнаружил, что миозин действительно играет роль, но только во второй фазе транспортного процесса. На самом раннем этапе исследователи были озадачены, увидев, что клетки, по-видимому, вообще не увеличивали свою сократимость, предполагая, что механизм, отличный от «сжатия», инициировал транспортировку.
«Две фазы поразительно очевидны», – говорит Мартин. «После того, как мы это увидели, мы были озадачены, потому что на самом деле нет изменений в миозине, связанных с началом этого процесса, что мы и ожидали увидеть."
Затем Мартин и его лаборатория объединили свои усилия с Дункелем, который изучает физику мягких поверхностей и текущей материи. Дункель и Ромео задались вопросом, могут ли клетки вести себя так же, как воздушные шары разных размеров, когда они соединены.
Хотя можно было ожидать, что большой воздушный шар будет пропускать воздух в меньший, пока они не станут одинакового размера, на самом деле происходит то, что воздух течет от меньшего к большему.
Это происходит потому, что меньший баллон, который имеет большую кривизну, испытывает большее поверхностное натяжение и, следовательно, более высокое давление, чем баллон большего размера. Таким образом, воздух вытесняется из меньшего шара в больший. «Это нелогично, но это очень надежный процесс», – говорит Дункель.
Адаптируя математические уравнения, которые уже были получены для объяснения этого «эффекта двух баллонов», исследователи разработали модель, описывающую, как содержимое клеток передается от 15 маленьких медсестер к большому ооциту в зависимости от их размеров и их связей. друг другу.
Клетки-медсестры в слое, ближайшем к ооциту, сначала переносят свое содержимое, а затем клетки в более отдаленных слоях.
«После того, как я потратил некоторое время на построение более сложной модели для объяснения проблемы с 16 ячейками, мы поняли, что моделирование более простой системы с 16 баллонами очень похоже на сеть с 16 ячейками. «Удивительно видеть, что такие нелогичные, но математически простые идеи так хорошо описывают процесс», – говорит Ромео.
Первая фаза сброса клеток-медсестер, похоже, совпадает с тем, когда каналы, соединяющие клетки, становятся достаточно большими, чтобы цитоплазма могла проходить через них. Как только клетки-кормилицы уменьшаются примерно до 25 процентов от своего первоначального размера, оставляя их лишь немного больше, чем их ядра, запускается вторая фаза процесса, и сокращения миозина заставляют оставшееся содержимое клеток-медсестер попасть в яйцеклетку.
"В первой части процесса сжатия происходит очень мало, и клетки просто равномерно сжимаются. Затем этот второй процесс начинается ближе к концу, когда вы начинаете получать более активное сжатие или перистальтические деформации клетки, которые завершают процесс сброса », – говорит Мартин.
Сотовое сотрудничество
Полученные данные демонстрируют, как клетки могут координировать свое поведение, используя как биологические, так и физические механизмы, чтобы вызывать поведение на тканевом уровне, говорит Имран Алсус.
«Здесь у вас есть несколько медсестер, чья работа заключается в том, чтобы кормить будущую яйцеклетку, и для этого эти клетки, по-видимому, транспортируют свое содержимое координированным и направленным образом к ооциту», – говорит она.
По словам исследователей, развитие яйцеклеток и ранних эмбрионов у плодовых мушек и других беспозвоночных имеет некоторое сходство с таковым у млекопитающих, но неизвестно, может ли такой же механизм роста яйцеклеток наблюдаться у людей или других млекопитающих.
«У мышей есть доказательства того, что ооцит развивается как киста с другими взаимосвязанными клетками, и что между ними существует некоторый транспорт, но мы не знаем, действуют ли механизмы, которые мы здесь видим, у млекопитающих», – говорит Мартин.
В настоящее время исследователи изучают, что запускает вторую фазу процесса сброса, основанную на миозине. Они также изучают, как изменения первоначальных размеров клеток-медсестер могут повлиять на формирование яиц.
Исследование финансировалось Национальным институтом общих медицинских наук, присужденным премией ученых по сложным системам от Джеймса С. Фонд Макдоннелла и Роберт Э. Стипендиальный фонд имени Коллинза.