2021-09-08

没有这一场“焰火”,你可能不会存在|生命


  10年前,美国西北大学的科学家发现了一个神奇的现象,在生命的起点——一个精子和一个卵子在融合后,会激发一场由数十亿个离子参与的"锌焰火"。在惊叹于美丽的现象之时,他们想要进一步了解这个现象会出现在哪些生物中。

  撰文 | 赵冰莹、石云雷

  审校 | 吴非

  显微镜下的火花

  对于很多生物而言,新生命诞生于一个精子和一个卵子的成功相遇和结合的过程。一直以来,人类都对受精这个神奇、残酷的生物学过程充满了好奇心。此前,我们已经了解当人类的卵子和精子融合后,会触发整个细胞的细胞膜发生改变,阻止其他精子的进入。这个融合过程标志着一个新生命开始发育。

  近年来,一些科学家开始注意到在脊椎动物的受精卵形成时,会出现一种极其特别的现象——数十亿个锌离子会"点燃"精子和卵子融合的细胞膜。2011年,任职于西北大学的研究人员Teresa Woodruff和同事通过化学和物理探针,首次发现小鼠的卵子在成熟过程中会吸收近20亿个锌离子,并将它们存储在卵子透明带的囊泡(也称为皮层颗粒)中。而在受精卵形成时,这些锌离子会向外喷射,触发一场令人惊艳的"锌焰火"。


  5年后,他们通过更先进的检测和显微镜成像技术,在体外的人类受精过程也观察到了这一现象,这也是首次发现在人类受精过程中存在这一现象。Woodruff表示,他们看到每一个人类受精卵在形成时都产生了"锌焰火",这令他们感到非常惊讶。通过这些研究,他们开始考虑一个问题——哪些生物在诞生时,会经历这样一场"锌焰火"?

  一场原始的"焰火"

  时间又过了5年,这次Woodruff和密歇根州立大学的科学家Tom O'Halloran等人合作,想要了解在较为原始的两栖动物中是否也存在这个现象。他们研究了一种较为原始的蛙类——非洲爪蟾(Xenopus laevis)。这种蛙广泛分布于撒哈拉以南非洲地区,具有较为典型的外形特征。它们的后肢发达、有发达的蹼,前肢纤细无蹼,"Xenopus" 在拉丁语中意为"特殊的脚",而"laevis"意为"光滑的",指它们的表面光滑。


  非洲爪蟾还有另一个优点,它们的卵和胚胎的个头较大 ,其卵子是小鼠的15倍,直径可达1.4毫米,因此十分便于观察,经常用于胚胎学研究。在最新研究中,研究人员利用高灵敏度X射线荧光显微镜等成像技术,观察了非洲爪蟾的卵子如何在其透明带的囊泡中存储大量锌离子,并确定了在受精前后,这些金属离子的特性、浓度和在细胞内的分布。

  他们获得了与之前实验类似的结论。非洲爪蟾卵子表面透明带的皮层颗粒会储存高浓度的金属离子,其中的锌离子浓度(约有100亿个)是其他区域的10倍。此外,这些皮层颗粒里还含有大量的锰离子(目前只在蛙类中观察到),约为卵子其他区域的30多倍。这些金属离子在精子进入卵子的几分钟内,会被全部释放出来。

  在这一过程中,皮层颗粒中其他分子和酶也会被释放出来,改变透明带的性质,阻止其他精子进入。锰离子被释放后,会与受精卵周围的精子发生碰撞,阻止它们进入透明带,以保证受精成功。对于二倍体生物来说,当有多个精子进入一个卵子时,过量的染色体会带来毁灭性的结果——受精卵死亡。卵子透明带中的皮层颗粒,正是为了避免一个新生命在发育的起点就遭遇失败,通过释放多种分子和金属离子,阻止多个精子进入同一个卵子,推动一个新的受精卵向前发育。

  这项新发现表明,两栖动物在受精时,和人类、小鼠等多种动物一样,存在相同的"火花四溅"的过程。这也意味着,这个受精过程的演化根源至少可以追溯到3亿年前,即蛙类和人类的最后共同祖先生存的年代。

  "焰火"的意义

  此前,研究人员曾发现当精子进入卵子后,会触发一些过程来激活卵细胞,推动受精卵发育。例如,从精子进入卵子的位点开始,受精卵内的钙离子会反复升高,这个过程也称为"钙离子振荡",能激活卵细胞。与此同时,锌离子也会开始从皮层颗粒中释放出来。受精几分钟后,随着这个结合的细胞内各个区域的钙离子浓度波动,数十亿个锌离子也会围绕整个细胞爆发出一场"焰火"。


  Woodruff和O'Halloran发现,这场"锌焰火"对受精后两小时内胚胎的发育至关重要。在受精前的卵细胞内,高浓度的锌离子会激活细胞静止因子(cytostatic factor,CSF)——EMI2,以维持成熟的、未受精的卵细胞的活性。只有当锌离子被排出、浓度降低后,EMI2才会失活,而这个过程会激活受精卵,使其从减数分裂后的状态中脱离,进入有丝分裂,继续后续的生长和分类过程。这种情况普遍存在于哺乳动物中。与此同时,焰火的激烈程度与胚胎后续的发育密切相关,可用于预测胚胎的质量和发育情况。

  他们认为,这一发现对于改进体外受精技术有着重大意义。目前,我们还没有能够在受孕前评估卵子质量的工具,但这个发现提供了一种易于实现的非侵入式受精卵筛选方法。Woodruff表示:"通过观察受精卵形成时"锌焰火"的大小,我们就能立即知道哪些受精卵更适合后续的人工授精。这为我们提供了一种评估受精卵质量的新方法。"

  通过这样的方式,我们可以挑选最适合受孕的卵子,减少在体外受精过程中需要移植的胚胎数量,避免造成伤害。除此之外,该研究还可以帮助我们了解金属如何影响人类的早期发育。......

原文转载:http://tech.shaoqun.com/a/585877.html

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