Рост ооцитов зависит от физических явлений, заставляющих мелкие клетки "сбрасывать" содержимое в крупную

Яйцеклетки — самые крупные клетки, производимые большинством организмов. У человека они в несколько раз больше типичной соматической клетки и примерно в 10 000 раз крупнее сперматозоидов.

Причина такого размера — необходимость накопить достаточно питательных веществ для поддержки растущего эмбриона после оплодотворения, а также митохондрий для обеспечения этого роста. Однако полная картина того, как яйцеклетки достигают таких размеров, оставалась неясной.

Новое исследование на плодовых мушках, проведенное командой биологов и математиков MIT, показало, что процесс значительного и быстрого роста ооцита перед оплодотворением основан на физических явлениях, аналогичных обмену газом между воздушными шарами разного размера. Ученые обнаружили, что "клетки-медсестры", окружающие гораздо более крупный ооцит, "сбрасывают" свое содержимое в него, подобно тому, как воздух перетекает из меньшего шара в больший, когда они соединены трубками в экспериментальной установке.

"Исследование показывает, как физика и биология объединяются, и как природа может использовать физические процессы для создания надежного механизма", — говорит Йорн Дункель, доцент MIT по физической прикладной математике.

Дункель и Адам Мартин, доцент кафедры биологии MIT, — старшие авторы статьи, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущие авторы — постдок Джасмин Имран Альсус и аспирант Николас Ромео.

Физический процесс

У самок плодовых мушек яйца развиваются в кластерах клеток, называемых цистами. Незрелый ооцит проходит четыре цикла деления, чтобы произвести одну яйцеклетку и 15 клеток-медсестер. Клетки остаются соединенными узкими каналами, которые действуют как клапаны, позволяя материалу перемещаться между ними.

Имран Альсус провела высокоразрешающую визуализацию формирования яйца в реальном времени и обнаружила, что белок миозин играет роль, но только во второй фазе процесса транспорта. В самой ранней фазе клетки, по-видимому, не увеличивали свою сократимость, что указывало на иной механизм, а не на "сдавливание".

"Две фазы strikingly очевидны", — говорит Мартин.

Затем лаборатория Мартина объединилась с Дункелем, который изучает физику мягких поверхностей и текучих сред. Дункель и Ромео предположили, что клетки могут вести себя так же, как соединенные воздушные шары разного размера. Вопреки ожиданиям, воздух перетекает из меньшего шара в больший.

Это происходит потому, что меньший шар с большей кривизной испытывает большее поверхностное натяжение и, следовательно, более высокое давление, чем больший шар. Воздух выталкивается из меньшего шара в больший. "Это контринтуитивно, но очень надежный процесс", — говорит Дункель.

Адаптировав математические уравнения, описывающие этот "эффект двух шаров", исследователи создали модель, описывающую, как содержимое клеток передается от 15 мелких клеток-медсестер к крупному ооциту, исходя из их размеров и соединений между собой. Сначала свой содержимое передают клетки-медсестры, ближайшие к ооциту, затем — клетки в более удаленных слоях.

"Мы поняли, что симуляция более простой системы из 16 шаров очень похожа на сеть из 16 клеток. Удивительно видеть, что такие контринтуитивные, но математически простые идеи так хорошо описывают процесс", — говорит Ромео.

Первая фаза "сброса" содержимого клеток-медсестер, по-видимому, совпадает с моментом, когда каналы, соединяющие клетки, становятся достаточно большими для прохождения цитоплазмы. Когда клетки-медсестры сжимаются примерно до 25% от исходного размера, запускается вторая фаза: сокращения миозина выталкивают оставшееся содержимое клеток-медсестер в яйцеклетку.

"В первой части процесса почти нет сдавливания, клетки просто равномерно сжимаются. Затем подключается второй процесс, при котором начинается более активное сдавливание, или перистальтикоподобные деформации клетки, завершающие процесс "сброса", — объясняет Мартин.

Кооперация клеток

Результаты демонстрируют, как клетки могут координировать свое поведение, используя как биологические, так и физические механизмы, для обеспечения поведения на уровне ткани, говорит Имран Альсус.

"Здесь несколько клеток-медсестер, чья работа — "выкармливать" будущую яйцеклетку, и для этого они, по-видимому, транспортируют свое содержимое в ооцит скоординированно и направленно".

Развитие ооцита и раннего эмбриона у плодовых мушек и других беспозвоночных имеет некоторое сходство с таковым у млекопитающих, но неизвестно, наблюдается ли тот же механизм роста яйцеклеток у человека или других млекопитающих.

"Есть свидетельства у мышей, что ооцит развивается в цисте с другими взаимосвязанными клетками и что между ними происходит некоторый транспорт, но мы не знаем, действуют ли здесь те же механизмы", — говорит Мартин.

Исследователи сейчас изучают, что запускает начало второй, миозин-зависимой фазы процесса, а также как изменения исходных размеров клеток-медсестер могут влиять на формирование яйца.