Creșterea ovocitelor se bazează pe fenomene fizice care determină celulele mai mici să-și arunce conținutul într-o celulă mai mare

de Massachusetts Institute of Technology

Celulele ouă sunt de departe cele mai mari celule produse de majoritatea organismelor.

La om, acestea sunt de câteva ori mai mari decât o celulă tipică a corpului și de aproximativ 10.000 de ori mai mari decât celulele spermatozoide.

Există un motiv pentru care celulele ovulelor sau ovocitele sunt atât de mari: trebuie să acumuleze suficiente substanțe nutritive pentru a susține un embrion în creștere după fertilizare, plus mitocondriile pentru a alimenta toată această creștere.

Cu toate acestea, biologii nu înțeleg încă imaginea completă a modului în care celulele ouă devin atât de mari.

Un nou studiu asupra muștelor fructelor, realizat de o echipă de biologi și matematicieni MIT, relevă faptul că procesul prin care ovocitul crește semnificativ și rapid înainte de fertilizare se bazează pe fenomene fizice similare schimbului de gaze între baloane de diferite dimensiuni.

În mod specific, cercetătorii au arătat că „ celulele asistente ” care înconjoară ovocitul mult mai mare își aruncă conținutul în celula mai mare, la fel cum aerul curge dintr-un balon mai mic într-unul mai mare atunci când sunt conectate prin tuburi mici într-o configurație experimentală.

„Studiul arată cum fizica și biologia se unesc și cum natura poate folosi procesele fizice pentru a crea acest mecanism robust”, spune Jörn Dunkel, profesor asociat de matematică fizică aplicată.

„Dacă doriți să vă dezvoltați ca embrion, unul dintre obiective este de a face lucrurile foarte reproductibile, iar fizica oferă un mod foarte robust de realizare a anumitor procese de transport”.

Dunkel și Adam Martin, profesor asociat de biologie al MIT, sunt autorii principali ai lucrării, care apare săptămâna aceasta în Proceedings of the National Academy of Sciences .

Autorii principali ai studiului sunt Jasmin Imran Alsous postdoc și studentul absolvent Nicolas Romeo.

Jonathan Jackson, student absolvent al Universității Harvard, și Frank Mason, profesor asistent de cercetare la Școala de Medicină a Universității Vanderbilt, sunt, de asemenea, autori ai lucrării.

Un proces fizic

La muștele fructelor femele, ouăle se dezvoltă în grupuri de celule cunoscute sub numele de chisturi.

Un ovocit imatur suferă patru cicluri de diviziune celulară pentru a produce o celulă ovulă și 15 celule asistente.

Cu toate acestea, separarea celulei este incompletă și fiecare celulă rămâne conectată la celelalte prin canale înguste care acționează ca supape care permit materialului să treacă între celule.

Membrii laboratorului lui Martin au început să studieze acest proces datorită interesului lor îndelungat pentru miozină, o clasă de proteine ​​care pot acționa ca motoare și pot ajuta contractarea celulelor musculare.

Imran Alsous a realizat imagini de înaltă rezoluție, în timp real, ale formării ouălor la muștele fructelor și a constatat că mioza joacă într-adevăr un rol, dar numai în a doua fază a procesului de transport.

În prima fază, cercetătorii au fost nedumeriți când au văzut că celulele nu par să-și crească deloc contractilitatea, sugerând că un alt mecanism decât „stoarcerea” inițiază transportul.

„Cele două faze sunt izbitor de evidente”, spune Martin.

"După ce am văzut acest lucru, am fost uimiți, deoarece nu există într-adevăr o schimbare în miozină asociată cu debutul acestui proces, ceea ce ne așteptam să vedem".

Martin și laboratorul său și-au unit apoi forțele cu Dunkel, care studiază fizica suprafețelor moi și a materiei care curge.

Dunkel și Romeo s-au întrebat dacă celulele s-ar putea comporta la fel cum se comportă baloanele de dimensiuni diferite atunci când sunt conectate.

Deși s-ar putea aștepta ca balonul mai mare să scurgă aerul către cel mai mic până când vor avea aceeași dimensiune, ceea ce se întâmplă de fapt este că aerul curge de la cel mai mic la cel mai mare.

Acest lucru se întâmplă deoarece balonul mai mic, care are o curbură mai mare, are o tensiune superficială mai mare și, prin urmare, o presiune mai mare, decât balonul mai mare.

Prin urmare, aerul este forțat să iasă din balonul mai mic și în cel mai mare.

„Este contraintuitiv, dar este un proces foarte robust”, spune Dunkel.

Adaptând ecuații matematice care fuseseră deja derivate pentru a explica acest „efect cu două baloane”, cercetătorii au venit cu un model care descrie modul în care conținutul celular este transferat de la cele 15 celule infirmiere mici la ovocitul mare, în funcție de dimensiunile și conexiunile lor.

unul altuia.

Celulele asistente din stratul cel mai apropiat de ovocit își transferă mai întâi conținutul, urmate de celulele din straturi mai îndepărtate.

"După ce am petrecut ceva timp construind un model mai complicat pentru a explica problema cu 16 celule, ne-am dat seama că simularea sistemului mai simplu cu 16 baloane seamănă foarte mult cu rețeaua cu 16 celule.

Este surprinzător să vedem că un astfel de contraintuitiv dar ideile matematic simple descriu procesul atât de bine ", spune Romeo.

Prima fază a descărcării celulelor asistente pare să coincidă cu momentul în care canalele care leagă celulele devin suficient de mari pentru ca citoplasma să se miște prin ele.

Odată ce celulele asistente se micșorează la aproximativ 25% din mărimea lor originală, lăsându-le doar puțin mai mari decât nucleele lor, se declanșează a doua fază a procesului și contracțiile miozinei forțează conținutul rămas al celulelor asistente în celula ouă.

"În prima parte a procesului, se întâmplă foarte puțin stoarcere, iar celulele se micșorează uniform.

Apoi, acest al doilea proces începe spre sfârșit, unde începeți să obțineți stoarcere mai activă sau deformări ale celulei asemănătoare peristaltismului, care finalizează procesul de dumping ", spune Martin.

Cooperarea celulară

Descoperirile demonstrează modul în care celulele își pot coordona comportamentul, utilizând atât mecanisme biologice, cât și mecanisme fizice, pentru a produce un comportament la nivel tisular, spune Imran Alsous.

„Aici, aveți mai multe celule asistente, a căror sarcină este de a alăpta viitoarea celulă ovulă și, pentru a face acest lucru, aceste celule par să-și transporte conținutul într-o manieră coordonată și direcțională către ovocit”, spune ea.

Dezvoltarea embrionară timpurie a ovocitelor și a muștelor fructelor și a altor nevertebrate prezintă unele asemănări cu cele ale mamiferelor, dar nu se știe dacă același mecanism de creștere a celulelor ouă ar putea fi văzut la oameni sau la alte mamifere, spun cercetătorii.

"Există dovezi la șoareci că ovocitul se dezvoltă ca un chist cu alte celule interconectate și că există un anumit transport între ele, dar nu știm dacă mecanismele pe care le vedem aici funcționează la mamifere", spune Martin.

Cercetătorii studiază acum ceea ce declanșează a doua fază alimentată cu miozină a procesului de descărcare.

Ei investighează, de asemenea, modul în care modificările dimensiunilor originale ale celulelor asistentei ar putea afecta formarea ouălor.

(Fluierul)