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新研究揭示细胞皮层激活新机制

在发育期间,胚胎中的细胞不断分裂,直到出现一个功能齐全的有机体。在这个过程中,细胞的一个组成部分---细胞皮层(cell cortex)---特别重要。细胞皮层又称为肌球蛋白皮层,是细胞膜下由微丝和微丝结合蛋白组成的网状结构,为细胞膜提供强度和韧性,并维持细胞形态。这种细密的网状结构就在细胞膜下,是决定细胞形状的主要因素,并参与了细胞的几乎所有活动,如迁移、分裂或感知环境。

然而,细胞皮层必须首先由单分子构建而成,如果构建不正确,有机体中的细胞将永远无法到达正确的位置来执行它们的功能。在一项新的研究中,来自德国马克斯-普朗克分子细胞生物学与遗传学研究所(MPI-CBG)、马克斯-普朗克复杂系统物理研究所(MPI-PKS)和德累斯顿工业大学等研究机构的研究人员研究了这种动态变化的细胞皮层在秀丽隐杆线虫中的形成。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“A condensate dynamic instability orchestrates actomyosin cortex activation”。

他们发现,在未受精卵细胞受精后过渡到胚胎时,由肌动蛋白丝(actin filament)组成的数千个动态和短暂的液滴状凝结物控制着细胞皮层的产生。这项研究中发现的原则有助于理解亚细胞结构的形成是如何受到控制的。

卵细胞受精后,立即开始形成细胞皮层,它完全形成大约需要10分钟。细胞皮层由肌动蛋白丝和马达蛋白(motor protein)组成,肌动蛋白丝和马达蛋白经组装后形成一个密集的交联网络。细胞皮层的动态变化来自于马达蛋白对肌动蛋白丝的拉扯产生了导致皮层张力的应力。

这种皮层张力驱动着细胞的形状、它们感知环境的能力以及它们在我们体内执行功能的能力。过去对细胞皮层的动态变化进行了深入的研究,但细胞皮层在受精后首次被激活的机制尚不清楚。了解细胞皮层形成背后的原理至关重要,因为它几乎参与了细胞的每一项功能,而不适当的皮层结构会导致关键细胞和发育过程受到破坏。

蛋白凝结物的寿命很短,确保正常发育

为了研究细胞皮层如何被激活,这些作者在秀丽隐杆线虫中研究了这个过程。论文共同通讯作者、MPI-CBG主任Stephan Grill团队的研究员Arjun Narayan解释说,“我们能够观察到肌动蛋白和肌动蛋白成核蛋白WSP-1和ARP2/3是如何聚集成凝结物的,这些凝结物只持续了几秒钟,随后就会被分解。这些凝聚物确保有适量的肌动蛋白丝,并且它们以恰到好处的方式连接在一起。对我来说,这些由高度分支的肌动蛋白丝组成的结构,就像雪花一样,其美妙之处在于它们的动态变化告诉我们关于生命物质的非常规化学特性。”

在卵母细胞到胚胎的过渡过程中,细胞皮层的形成通过动态的F-actin/WSP-1皮层凝结物进行。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05084-3。

论文共同第一作者Victoria Tianjing Yan说,他们“开发了我们自己的成像和图像分析方法,称为质量平衡成像(mass balance imaging),以研究短暂存在的凝结物的结构如何生长和演变”。在他们的研究中,他们发现,内部的化学反应控制了凝结物的生长速度和它们何时收缩消失。因此,皮层凝结物有力地组织了它们自己的生命周期,基本上不受外部环境的影响。

Grill说,他们“得出结论,细胞皮层中的凝结物代表了一类新型的生物分子凝结物,它们由特定的化学反应驱动,在几秒钟内组装和分解。我们认为这些短暂存在的凝结物控制着秀丽隐杆线虫卵母细胞受精后的细胞皮层激活及其生长结构的精确度”。

论文共同通讯作者、MPI-PKS主任Frank Jülicher说,“这项新研究是物理学和生物学相交叉的另一个例子。我们与生物学家和理论物理学家的互动环境共同确保了新的跨学科方法,以解开生物过程的物理学特性。”

参考资料:

1. Victoria Tianjing Yan et al. A condensate dynamic instability orchestrates actomyosin cortex activation. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05084-3.

2. Researchers find the cell cortex is activated by thousands of short-lived protein condensates
https://phys.org/news/2022-09-cell-cortex-thousands-short-lived-protein.html

 
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