卵细胞或卵母细胞之所以如此之大，有一个原因：它们需要积累足够的营养来支持受精后正在发育的胚胎，再加上线粒体来支持所有的发育。然而，生物学家还不完全了解卵细胞是如何变大的。

麻省理工学院生物学家和数学家团队对果蝇进行的一项新研究表明，受精前卵母细胞显著快速生长的过程依赖于类似于不同大小气球之间气体交换的物理现象。具体来说，研究人员表明，围绕着大得多的卵母细胞的“营养细胞”将其内容物倾倒到大细胞中，就像在实验装置中用小管连接时，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Jörn Dunkel说：“这项研究彰显了物理和生物学的结合，以及大自然如何利用物理过程来创造这种强大的机制。如果你想发展成一个胚胎，其中一个目标就是让事物非常具有可复制性，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。”

Dunkel和Adam Martin是麻省理工学院生物学副教授，本文（pNAS）的通讯作者。这项研究的主要作者是博士后Jasmin Imran Alsous和研究生Nicolas Romeo。哈佛大学研究生Jonathan Jackson和范德堡大学医学院研究助理教授Frank Mason也是这篇论文的作者。

物理过程

在雌性果蝇中，卵在称为囊的细胞簇内发育。一个未成熟的卵母细胞经历四个细胞分裂周期，产生一个卵细胞和15个营养细胞。然而，细胞分离是不完整的，每个细胞仍然通过狭窄的通道与其他细胞相连，这些通道充当阀门，允许材料在细胞之间通过。

Martin实验室的成员开始研究这个过程是因为他们长期以来对肌球蛋白（一类可以充当马达和帮助肌肉细胞收缩的蛋白质）感兴趣。Imran Alsous对果蝇卵子的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，但只在运输过程的第二阶段起作用。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，”Martin说。“在我们看到这一点之后，我们感到困惑，因为肌球蛋白改变并没有影响这个过程开始。”


Martin和他的实验室随后与研究软表面和流动物质物理的Dunkel联手。Dunkel和Romeo想知道这些细胞的行为是否与不同大小的气球连接时的行为相同。虽然人们可能认为较大的气球会向较小的气球泄漏空气，直到它们的大小相同，但实际上发生的是空气从较小的气球流向较大的气球。

“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，从而产生更高的压力。因此，空气被挤出较小的气球，进入较大的气球。这是违反直觉的，但这是一个非常强大的过程，”Dunkel说。

为了解释这种“双气球效应”，研究人员采用了已经推导出的数学公式，提出了一个模型，根据细胞的大小和相互之间的联系，描述了细胞内容物是如何从15个营养细胞转移到大卵母细胞的。离卵母细胞最近一层的滋养细胞首先转移内容物，然后是较远一层的细胞。

“在我花了一些时间建立了一个更复杂的模型来解释16个细胞的问题之后，我们意识到，对更简单的16个气球系统的模拟看起来非常像16个细胞的网络，”Romeo说。“令人惊讶的是，这些违反直觉但数学上简单的想法如此完美地描述了这个过程。”

当连接细胞的通道变大到足以让细胞质通过时，营养细胞倾倒的第一阶段似乎与之相吻合。一旦营养细胞缩小到原来大小的25%左右，只留下略大于细胞核的部分，这个过程的第二阶段就被触发，肌球蛋白收缩迫使营养细胞的剩余内容物进入卵细胞。

“在这个过程的第一部分，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时开始，开始得到更活跃的挤压，或细胞蠕动样的变形，从而完成倾倒过程，”Martin说。

细胞合作

这一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，有几个营养细胞的工作是营养未来的卵细胞，这样做，这些细胞似乎以协调和定向的方式将其内容物运输到卵母细胞，”Imran Alsous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的卵母细胞和早期胚胎发育有一些相似之处，但尚不清楚人类或其他哺乳动物是否也有同样的卵细胞生长机制。

Martin说：“在老鼠身上有证据表明，卵母细胞和其他相互连接的细胞一起发育成一个囊肿，它们之间有一些运输，但我们不知道我们在哺乳动物身上看到的机制是否起作用。”

研究人员现在正在研究是什么触发了倾倒过程的第二阶段，肌球蛋白驱动的阶段开始。他们也在研究如何改变原始大小的营养细胞可能会影响卵子的形成。

原文检索：Dynamics of hydraulic and contractile wave-mediated fluid transport during Drosophila oogenesis

（生物通：伍松）