在發(fā)育過程中，胚胎細(xì)胞分裂，直到出現(xiàn)功能齊全的有機(jī)體。在此過程中，細(xì)胞的一個(gè)組成部分尤為重要：細(xì)胞皮層。這種位于細(xì)胞膜下方的細(xì)絲狀細(xì)絲結(jié)構(gòu)(稱為肌動(dòng)蛋白)網(wǎng)絡(luò)是細(xì)胞形狀的主要決定因素，幾乎涉及細(xì)胞所做的一切，例如移動(dòng)、分裂或感知其環(huán)境。
然而，皮層必須首先由單個(gè)分子構(gòu)建，如果它沒有正確構(gòu)建，有機(jī)體的細(xì)胞將永遠(yuǎn)無法到達(dá)正確的位置來執(zhí)行它們的功能。來自德累斯頓馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所(MPI-CBG)、馬普復(fù)雜系統(tǒng)物理研究所(MPI-PKS)和卓越生命物理學(xué)??集群(PoL)的國際研究團(tuán)隊(duì))在德累斯頓工業(yè)大學(xué)研究了秀麗隱桿線蟲中這種動(dòng)態(tài)細(xì)胞皮層的形成。
他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)未受精的卵細(xì)胞在受精后轉(zhuǎn)變?yōu)榕咛r(shí)，由肌動(dòng)蛋白絲組成的數(shù)千個(gè)動(dòng)態(tài)且短暫的液滴狀凝聚物控制著第一皮質(zhì)的產(chǎn)生。本研究中揭示的原理有助于了解亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成是如何受到控制的。
卵細(xì)胞受精后，細(xì)胞皮層開始形成，大約需要十分鐘才能完全形成。皮層由肌動(dòng)蛋白絲和運(yùn)動(dòng)蛋白組成，它們組織成一個(gè)致密的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。皮層的動(dòng)力學(xué)源于運(yùn)動(dòng)蛋白拉動(dòng)肌動(dòng)蛋白絲，產(chǎn)生導(dǎo)致皮層張力的壓力。
例如，這種皮層張力驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的形狀、它們感知環(huán)境的能力以及它們?cè)谖覀凅w內(nèi)執(zhí)行其功能的能力。過去對(duì)細(xì)胞皮層的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究，但細(xì)胞皮層在受精后立即被激活的機(jī)制尚不清楚。了解細(xì)胞皮層形成背后的原理至關(guān)重要，因?yàn)樗婕凹?xì)胞的幾乎所有功能，而不當(dāng)?shù)钠咏M織會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵細(xì)胞和發(fā)育過程的損害。
蛋白質(zhì)縮合物壽命短，可確保正常發(fā)育
為了研究細(xì)胞皮層是如何被激活的，MPI-CBG、MPI-PKS和PoL的一個(gè)跨學(xué)科研究小組在秀麗隱桿線蟲中研究了這一過程。
“我們能夠觀察到肌動(dòng)蛋白和肌動(dòng)蛋白成核蛋白WSP-1和ARP2/3如何聚集在一起形成僅持續(xù)幾秒鐘的凝聚物，然后立即分解。這些凝聚物確保有適量的肌動(dòng)蛋白絲并且它們以正確的方式連接在一起。對(duì)我來說，這些結(jié)構(gòu)的美妙之處在于，這些結(jié)構(gòu)由高度分支的肌動(dòng)蛋白絲組成，就像雪花一樣，在于它們的動(dòng)力學(xué)告訴我們生命物質(zhì)的非常規(guī)化學(xué)，“ArjunNarayanan解釋說，該研究的主要作者之一，MPI-CBG主任StephanGrill小組的研究員。
另一位主要作者VictoriaTianingYan說，他們“開發(fā)了我們自己的成像和圖像分析方法，稱為質(zhì)量平衡成像，以研究短壽命冷凝物的結(jié)構(gòu)如何生長和演化。”在他們的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)控制著冷凝物的生長速度和收縮時(shí)間。因此，皮質(zhì)凝聚物有力地組織了它們自己的生命周期，在很大程度上獨(dú)立于它們的外部環(huán)境。
格里爾說，他們“得出的結(jié)論是，細(xì)胞皮層中的凝聚物代表了一種新型的生物分子凝聚物，由特定的化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)，可在幾秒鐘內(nèi)組裝和分解。我們建議這些短壽命的凝聚物控制細(xì)胞皮層的激活和微妙的精確度秀麗隱桿線蟲卵母細(xì)胞受精后的生長結(jié)構(gòu)。”
MPI-PKS主任兼另一位指導(dǎo)作者FrankJülicher說：“這項(xiàng)研究是德累斯頓物理學(xué)和生物學(xué)之間的又一個(gè)例子。我們與生物學(xué)家和理論物理學(xué)家的互動(dòng)環(huán)境確保了新的跨學(xué)科方法來解開生物學(xué)的物理學(xué)過程。”
該研究發(fā)表在《自然》雜志上。
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