Sci:打破对称!卵母细胞脱颖而出 Pa蛋 个体保存､种族延绵

顾汉现

Science:打破对称！卵母细胞如何脱颖而出？

在许多生物中并非所有的雌性生殖细胞都会变成卵母细胞，一部分细胞会变成辅助细胞为卵母细胞提供物料和营养支持。微管负极结合蛋白Patronin/CAMSAP标记了未来果蝇卵细胞，并为卵细胞特化所必需。依赖Dynein的Patronin稳定后微管​的转运放大了这一弱不对称性，最终共同决定未来卵细胞。个体保存、种族延绵、生物学中心法则。无机物有机物生物分工共存进化。

BioArt

2021/11/23

论文
论文标题：Symmetry breaking in the female germline cyst
作者：D. Nashchekin, L. Busby, M. Jakobs, I. Squires, D. St. Johnston
期刊：Science
发表时间：2021/11/12
数字识别码：10.1126/science.abj3125
摘要：In mammals and flies, only one cell in a multicellular female germline cyst becomes an oocyte, but how symmetry is broken to select the oocyte is unknown. Here, we show that the microtubule (MT) minus end-stabilizing protein Patronin/CAMSAP marks the future Drosophila oocyte and is required for oocyte specification. The spectraplakin Shot recruits Patronin to the fusome, a branched structure extending into all cyst cells. Patronin stabilizes more MTs in the cell with the most fusome material. Our data suggest that this weak asymmetry is amplified by Dynein-dependent transport of Patronin-stabilized MTs. This forms a polarized MT network, along which Dynein transports oocyte determinants into the presumptive oocyte. Thus, Patronin amplifies a weak fusome anisotropy to break symmetry and select one cell to become the oocyte.

所属学科：
生物
（领研网导读 郭怿暄）哺乳动物和果蝇雌性的多细胞生殖细胞包囊中只有一个细胞会成为卵细胞。本研究发现微管负极结合蛋白Patronin/CAMSAP标记了未来果蝇卵细胞，并为卵细胞特化所必需。影斑蛋白Shot召集Patronin到融合体处，Patronin在具有最多融合体的部位稳定更多微管。依赖Dynein的Patronin稳定后微管​的转运放大了这一弱不对称性，最终共同决定未来卵细胞。




撰文丨十一月


在哺乳动物和果蝇中，雌性多细胞雌性生殖细胞包囊（Female germline cyst）中只有一个细胞会成为卵母细胞，但是这颗卵母细胞是如何打破对称性从中脱颖而出的还不得而知。为了揭开这一问题的答案，英国剑桥大学D. St. Johnston研究组与D. Nashchekin（第一作者）合作在Science发文题为Symmetry breaking in the female germline cyst，发现微管负极稳定蛋白Patronin/CAMSAP通过标记果蝇中的卵母细胞，促使生殖细胞打破对称性从而特化形成卵母细胞的具体分子机制。






在许多生物中并非所有的雌性生殖细胞都会变成卵母细胞，一部分细胞会变成辅助细胞为卵母细胞提供物料和营养支持【1】。举例来说，小鼠卵巢中一个生殖细胞包囊中包含约30个细胞，其中只有一小部分细胞会变成卵母细胞，大多数的细胞会作为营养细胞（Nurse cells）经历细胞凋亡，将胞质的内容物通过环管（Ring canals）输送卵母细胞（图1）【2, 3】。




图1 卵巢中卵母细胞脱颖而出，营养细胞将养分输送给卵母细胞【1】



在果蝇中，生殖细胞包囊形成于生殖腺，包囊具有三个区域。生殖干细胞产生成囊细胞（Cystoblast），成囊细胞在不完全的胞质分裂的情况下分裂四次，产生一个包含16个生殖细胞组成的包囊，这些生殖细胞通过环管相连接（图2）。卵母细胞的选择依赖于非中心体组织中心（noncentrosomal microtubule organizing center，ncMTOC）在未来的卵母细胞中组织一个具有极性微管网络指导动力蛋白（Dynein）依赖的细胞命运决定因子的运输。但是这颗卵母细胞是如何脱颖而出获得命中注定的卵母细胞命运呢？




图2 果蝇生殖腺中生殖细胞包囊形成以及卵母细胞选择



为了揭开这一问题的答案，作者们将目光集中在了Patronin以及其脊椎动物同源蛋白CAMSAPs上。该蛋白是微管负极结合蛋白，是 ncMTOCs非常关键的组分【4，5】。作者们在patronin突变体中检测了卵母细胞标记物的分布，发现突变体中卵母细胞标记物的累积显著地降低。限定表达在区域3中卵母细胞中的联会复合体蛋白C(3)G也在patronin突变体中也显著降低。这些结果说明Patronin对于卵母细胞的决定非常关键。



为了对Patronin在生殖腺包囊中的定位进行检测，作者们对内源荧光标记的Patronin-Kate品系进行成像，发现Patronin在2a区域时开始在单独的一个细胞中表达，早于既定卵母细胞标记物的表达，该信号会持续累积在此单个细胞中到区域2b-3，发育到该时期时会在细胞中形成点状信号，最终此细胞发育成为卵母细胞。但是作者们发现patronin的mRNA并不会定位在包囊之中，因此这种不对称的分布依赖于Patronin蛋白而非mRNA的定位或者新蛋白的合成。



另外作者们发现动力蛋白在patronin突变体中的定位在推定的卵母细胞中，该结果说明Patronin的缺失会破坏前体卵母细胞中MTOC的形成，从而导致极化的微管网络形成的缺失。通过检测微管正极末端追踪蛋白EB1-GFP对包囊中的MTOC进行可视化观察，作者们发现EB1-GFP信号与Patronin的信号在相同的细胞中共定位。同样，EB1-GFP的不对称定位在patronin突变体的包囊中会消失，此时EB1-GFP的分布模式会相对比较均质。



随后，作者们想知道中心体是否对Patronin MTOC的形成是否有一定的贡献，为此对中心体蛋白Asterless与Patronin的共定位进行了探究。作者们发现Patronin与Asterless只有小部分共定位，大部分的Patronin信号都在中心体聚集体的之外，该结果说明Patronin形成的MTOCs是非中心体依赖的。



目前，Patronin成为了未来卵母细胞最早的标记物。那么提出了一个新的问题即Patronin是如何富集在卵母细胞中从而打破包囊中细胞的对称性的。其中一个可能的机制是对称性打破依赖于融合体（Fusome）的不对称继承【6】。融合体在区域1的有丝分裂过程中就出现了不对称分布，因此母细胞会比子代细胞继承更多的组分，四环管时期两个细胞中的一个会具有比其他细胞更多融合体。为了验证这一想法，作者们使用融合体标记物Hts检测该观点。Patronin与融合体共定位于早期2a区域，但在包囊向区域3发展时信号会集中在一个细胞之中。因此，该结果说明Patronin的最初定位由融合体决定于早期2a区域，随后被某些机制进一步将此不对称性进行扩大。



进一步地，作者们想要探究其中可能的扩大机制。Spectraplakin蛋白Shot引起了作者们的注意，因为该蛋白定位融合体上并且与卵母细胞的特化相关【7】。作者们发现在shot突变体中，Patronin不能在一个细胞中累积并且也不能形成点状信号，而且也不能与融合体相互作用。因此，Shot对于招募Patronin到融合体上是非常关键的，从而能够将融合体不对称信号带给Patronin从而交给细胞命运决定过程进行解码。




图3 工作模型



由此，作者们得到了一个卵母细胞命运决定的工作模型，该模型被称为“四步走”模型（图3），第一步，在包囊形成过程中融合体的不对称性促使一个细胞中继承更多的融合体内容物；第二步，在区域2a，Patronin通过Shot蛋白被招募到融合体上，形成一个微微极化的微管网络结构；第三步，包囊中其他细胞通过动力蛋白将Patronin蛋白结合的微管蛋白运输到预卵母细胞之中；第四步，形成一个正反馈循环通路，动力蛋白运输更多的Patronin以及微管蛋白到卵母细胞中，进一步扩大微管的极性，从而促进动力蛋白运输更多的卵母细胞命运决定因子进入该细胞之中。通过该不对称性建立并逐渐扩展的方式，卵母细胞从包囊中“脱颖而出”。Patronin是CAMSAP家族中保守的成员，这说明该机制可能具有一定的保守性，虽然在哺乳动物中未发现融合体的存在，但是微管依赖的细胞器通过细胞环管运输已被证明在小鼠卵母细胞分化中发挥重要作用。这一发现对于卵母细胞命运建立提供了新的思考。




参考文献

1 Lu, K., Jensen, L., Lei, L. & Yamashita, Y. M. Stay Connected: A Germ Cell Strategy. Trends in genetics : TIG 33, 971-978, doi:10.1016/j.tig.2017.09.001 (2017).

2 Lei, L. & Spradling, A. C. Mouse primordial germ cells produce cysts that partially fragment prior to meiosis. Development (Cambridge, England) 140, 2075-2081, doi:10.1242/dev.093864 (2013).

3 Lei, L. & Spradling, A. C. Mouse oocytes differentiate through organelle enrichment from sister cyst germ cells. Science (New York, N.Y.) 352, 95-99, doi:10.1126/science.aad2156 (2016).

4 Meng, W., Mushika, Y., Ichii, T. & Takeichi, M. Anchorage of microtubule minus ends to adherens junctions regulates epithelial cell-cell contacts. Cell 135, 948-959, doi:10.1016/j.cell.2008.09.040 (2008).

5 Goodwin, S. S. & Vale, R. D. Patronin regulates the microtubule network by protecting microtubule minus ends. Cell 143, 263-274, doi:10.1016/j.cell.2010.09.022 (2010).

6 Lin, H. & Spradling, A. C. Fusome asymmetry and oocyte determination in Drosophila. Developmental genetics 16, 6-12, doi:10.1002/dvg.1020160104 (1995).

7 Nashchekin, D., Fernandes, A. R. & St Johnston, D. Patronin/Shot Cortical Foci Assemble the Noncentrosomal Microtubule Array that Specifies the Drosophila Anterior-Posterior Axis. Developmental cell 38, 61-72, doi:10.1016/j.devcel.2016.06.010 (2016).


“BioArt”（BioGossip）


文章标签
雌性生殖细胞
多细胞生殖包囊
卵细胞
微观
Patronin/CAMSAP
发育生物学

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj3125

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