Cell | 卵母细胞极性如何建立？——两种力的协同作用

撰文 | 十一月

责编 | 兮

胚胎形成开始于卵母细胞细胞质的重构。已经有一些研究表明卵母细胞中母系遗传物质的分离对于胚胎模式建成具有非常重要的作用。但是卵质重构的分子和细胞学的相关机制了解的还很不清楚。不同的细胞骨架组分尤其是皮质肌球蛋白网络（Cortical actomyosin network）可能参与卵质重构的过程。在鱼类中已有研究表明肌动蛋白与微管骨架可能参与卵质-卵黄颗粒的分离【1】。

为了进一步揭开卵母细胞极性建立过程，来自奥地利科学与技术研究所的Edouard Hannezo与Carl-Philipp Heisenberg研究组合作在Cell上发文，题为Bulk Actin Dynamics Drive Phase Segregation in Zebrafish Oocytes，提出斑马鱼卵母细胞中卵质-卵黄颗粒的相位分离的建立主要是由细胞周期依赖的肌动蛋白动态调控和驱动。F-actin流驱动的收缩性将卵质通过摩擦力推向卵母细胞的动物极，而彗星类似的F-actin结构的多聚化会将卵黄颗粒推向卵母细胞的植物极。

为了研究卵母细胞极性的建立过程，首先作者们记录和分析了卵质和卵黄颗粒在此过程中的动态变化。与前人的研究相似【2】，在卵激活后的很短时间内，卵母细胞的动物极上只存在一小部分卵质，大部分的卵质被卵黄颗粒的存在而分割成小小的“口袋”区域，分布在卵母细胞中（图1）。已有报道曾提到，卵质流的建立是由于卵母细胞A-V轴向的压力梯度的存在，这种梯度是由于皮质肌动蛋白解聚降低了胚盘皮质的张力【3】。但作者们将卵母细胞挤压进入立方体盒子，由此破坏皮质阻止动物极的扩张，发现卵质流依然会存在。为了更直接观测皮质肌动蛋白的作用，作者们甚至直接将卵母细胞的细胞膜挤破，从而建立了卵黄颗粒、卵质以及碎片化的皮质混合的体系。令人惊奇的是，即使如此，周期性的卵质流依旧会出现，最终引起卵质与卵黄颗粒的完全的相位分离。这表明，卵质-卵黄颗粒的分离并不依赖于皮质肌动蛋白。

图 1 斑马鱼卵母细胞中动物极与植物极的建立动态过程。

为了研究驱动卵质-卵黄颗粒分离的可能机制，作者们想知道除了皮质之外其他的肌动蛋白结构是否参与到该过程中。作者们发现肌动蛋白多聚化过程会周期性地沿着卵母细胞的A-V轴向出现。而且，这种肌动蛋白多聚化过程的开始与卵质流的起始完全一致（图2），因此作者们提出了卵质-卵黄颗粒的相位分离可能是由于肌动蛋白周期性多聚化作用引起的。

图2 肌动蛋白多聚化与卵质流最初起始完全一致。

为了探究成束肌动蛋白对于驱动卵质-卵黄颗粒分离，作者们检测了A-V轴向上肌动蛋白网络的分布。检测后发现，肌动蛋白网络沿A-V轴向梯度分布，在卵母细胞动物极中浓度最高。这种梯度分布产生周期性的张力驱动大量的F-actin流向卵母细胞动物极。但是这种梯度分布以及周期性是如何驱动卵母细胞的相位分离呢？为了揭开其中的机制，作者们建立了含有肌动蛋白、卵质与卵黄颗粒共同存在的三组分多孔介质体系，可以用于研究三种组分的之间的相互作用力。通过建立模型（图3）后发现肌动蛋白与卵质之间的粘性流动梯度比肌动蛋白和卵黄颗粒之间要大得多。因此，肌动蛋白-卵质之间的摩擦力要远远大于肌动蛋白与卵黄颗粒之间的摩擦力。这提示了卵母细胞的相位分离是因为这种摩擦力的差异引起的。由于肌动蛋白与卵质的流动方向相同而与卵黄颗粒的流动方向相反，因此导致卵质-卵黄颗粒之间的相位分离。

图3 卵质、卵黄颗粒与肌动蛋白之间摩擦力的模型。

在卵母细胞中作者们同时也发现了彗星肌动蛋白的形成（Actin Comet Formation），并且发现这些肌动蛋白会逐渐包裹卵黄颗粒（图4）。通过实验验证后发现，肌动蛋白逐渐包裹卵黄颗粒使得卵黄颗粒表面变硬，从而阻止卵黄颗粒再次回到卵母细胞动物，是卵母细胞相位分离的再次加固步骤。

图4 F-actin（红色信号）逐渐包裹卵黄颗粒（绿色信号）。

总的来说，与前人研究结果不同的是，已有的报道认为卵母细胞极性依赖于皮质肌动蛋白【3】，但是作者们的研究发现，卵质-卵黄颗粒的相位分离建立在成束肌动蛋白网络与卵质、卵黄颗粒之间摩擦力的巨大差异之上，这种差异会驱动卵质被拉向卵母细胞动物极而卵黄颗粒被推向植物极。并且再次过程中会形成彗星肌动蛋白，逐渐包裹卵黄颗粒从而确保卵黄颗粒保持在植物极。虽然在卵母细胞极性建立过程中还有众多未解之谜，但是Hannezo与Heisenberg研究组的工作为全面理解细胞周期与细胞骨架动力学之间的机械化学反馈环路迈出了重要一步。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.04.030

制版人：珂

1    Abraham, V. C., Gupta, S. & Fluck, R. A. Ooplasmic Segregation in the Medaka (Oryzias latipes) Egg. The Biological bulletin 184, 115-124, doi:10.2307/1542222 (1993).

2    Fernandez, J., Valladares, M., Fuentes, R. & Ubilla, A. Reorganization of cytoplasm in the zebrafish oocyte and egg during early steps of ooplasmic segregation. Developmental dynamics : an official publication of the American Association of Anatomists 235, 656-671, doi:10.1002/dvdy.20682 (2006).

3    Fuentes, R., Mullins, M. C. & Fernandez, J. Formation and dynamics of cytoplasmic domains and their genetic regulation during the zebrafish oocyte-to-embryo transition. Mechanisms of development 154, 259-269, doi:10.1016/j.mod.2018.08.001 (2018).

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