撰文 | 十一月

責編 | 兮

胚胎形成開始於卵母細胞細胞質的重構。已經有一些研究表明卵母細胞中母系遺傳物質的分離對於胚胎模式建成具有非常重要的作用。但是卵質重構的分子和細胞學的相關機制瞭解的還很不清楚。不同的細胞骨架組分尤其是皮質肌球蛋白網絡（Cortical actomyosin network）可能參與卵質重構的過程。在魚類中已有研究表明肌動蛋白與微管骨架可能參與卵質-卵黃顆粒的分離【1】。

爲了進一步揭開卵母細胞極性建立過程，來自奧地利科學與技術研究所的Edouard Hannezo與Carl-Philipp Heisenberg研究組合作在Cell上發文，題爲Bulk Actin Dynamics Drive Phase Segregation in Zebrafish Oocytes，提出斑馬魚卵母細胞中卵質-卵黃顆粒的相位分離的建立主要是由細胞週期依賴的肌動蛋白動態調控和驅動。F-actin流驅動的收縮性將卵質通過摩擦力推向卵母細胞的動物極，而彗星類似的F-actin結構的多聚化會將卵黃顆粒推向卵母細胞的植物極。

爲了研究卵母細胞極性的建立過程，首先作者們記錄和分析了卵質和卵黃顆粒在此過程中的動態變化。與前人的研究相似【2】，在卵激活後的很短時間內，卵母細胞的動物極上只存在一小部分卵質，大部分的卵質被卵黃顆粒的存在而分割成小小的“口袋”區域，分佈在卵母細胞中（圖1）。已有報道曾提到，卵質流的建立是由於卵母細胞A-V軸向的壓力梯度的存在，這種梯度是由於皮質肌動蛋白解聚降低了胚盤皮質的張力【3】。但作者們將卵母細胞擠壓進入立方體盒子，由此破壞皮質阻止動物極的擴張，發現卵質流依然會存在。爲了更直接觀測皮質肌動蛋白的作用，作者們甚至直接將卵母細胞的細胞膜擠破，從而建立了卵黃顆粒、卵質以及碎片化的皮質混合的體系。令人驚奇的是，即使如此，週期性的卵質流依舊會出現，最終引起卵質與卵黃顆粒的完全的相位分離。這表明，卵質-卵黃顆粒的分離並不依賴於皮質肌動蛋白。

圖 1 斑馬魚卵母細胞中動物極與植物極的建立動態過程。

爲了研究驅動卵質-卵黃顆粒分離的可能機制，作者們想知道除了皮質之外其他的肌動蛋白結構是否參與到該過程中。作者們發現肌動蛋白多聚化過程會週期性地沿着卵母細胞的A-V軸向出現。而且，這種肌動蛋白多聚化過程的開始與卵質流的起始完全一致（圖2），因此作者們提出了卵質-卵黃顆粒的相位分離可能是由於肌動蛋白週期性多聚化作用引起的。

圖2 肌動蛋白多聚化與卵質流最初起始完全一致。

爲了探究成束肌動蛋白對於驅動卵質-卵黃顆粒分離，作者們檢測了A-V軸向上肌動蛋白網絡的分佈。檢測後發現，肌動蛋白網絡沿A-V軸向梯度分佈，在卵母細胞動物極中濃度最高。這種梯度分佈產生週期性的張力驅動大量的F-actin流向卵母細胞動物極。但是這種梯度分佈以及週期性是如何驅動卵母細胞的相位分離呢？爲了揭開其中的機制，作者們建立了含有肌動蛋白、卵質與卵黃顆粒共同存在的三組分多孔介質體系，可以用於研究三種組分的之間的相互作用力。通過建立模型（圖3）後發現肌動蛋白與卵質之間的粘性流動梯度比肌動蛋白和卵黃顆粒之間要大得多。因此，肌動蛋白-卵質之間的摩擦力要遠遠大於肌動蛋白與卵黃顆粒之間的摩擦力。這提示了卵母細胞的相位分離是因爲這種摩擦力的差異引起的。由於肌動蛋白與卵質的流動方向相同而與卵黃顆粒的流動方向相反，因此導致卵質-卵黃顆粒之間的相位分離。

圖3 卵質、卵黃顆粒與肌動蛋白之間摩擦力的模型。

在卵母細胞中作者們同時也發現了彗星肌動蛋白的形成（Actin Comet Formation），並且發現這些肌動蛋白會逐漸包裹卵黃顆粒（圖4）。通過實驗驗證後發現，肌動蛋白逐漸包裹卵黃顆粒使得卵黃顆粒表面變硬，從而阻止卵黃顆粒再次回到卵母細胞動物，是卵母細胞相位分離的再次加固步驟。

圖4 F-actin（紅色信號）逐漸包裹卵黃顆粒（綠色信號）。

總的來說，與前人研究結果不同的是，已有的報道認爲卵母細胞極性依賴於皮質肌動蛋白【3】，但是作者們的研究發現，卵質-卵黃顆粒的相位分離建立在成束肌動蛋白網絡與卵質、卵黃顆粒之間摩擦力的巨大差異之上，這種差異會驅動卵質被拉向卵母細胞動物極而卵黃顆粒被推向植物極。並且再次過程中會形成彗星肌動蛋白，逐漸包裹卵黃顆粒從而確保卵黃顆粒保持在植物極。雖然在卵母細胞極性建立過程中還有衆多未解之謎，但是Hannezo與Heisenberg研究組的工作爲全面理解細胞週期與細胞骨架動力學之間的機械化學反饋環路邁出了重要一步。

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

參考文獻

1 Abraham, V. C., Gupta, S. & Fluck, R. A. Ooplasmic Segregation in the Medaka (Oryzias latipes) Egg. The Biological bulletin184, 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 Anatomists235, 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 development154, 259-269, doi:10.1016/j.mod.2018.08.001 (2018).

[email protected]。原創內容，未經授權，禁止轉載到其它平臺。