新研究详述了受精如何引发青蛙卵中数千种蛋白质的变化

半个多世纪以来，对非洲爪蛙(非洲爪蟾)的研究已经帮助科学家更好地了解生命的生物学基础，从胚胎发育和神经生物学到遗传学和疾病。青蛙声名鹊起包括诺贝尔奖获奖者发现成人细胞命运可以重新编程，它曾经是世界上唯一可靠的妊娠试验。现在，新技术使科学家们能够更多地了解从这些家常模式生物中驱动生物学的基本过程。

在报告的美国国家科学院论文集，由哈佛医学院系统生物学家马克·克氏针领导的研究小组描述了识别和测量在数千种蛋白质的变化爪蟾卵受精进行了新的途径。

他们的研究揭示了受精分子机制以前不透明的方面，包括受精如何触发少量低丰度蛋白质的破坏以释放卵子细胞周期的“刹车”，以及卵子如何快速释放有助于防止多个精子细胞受精的蛋白质含量。

研究人员表示，这项研究结果可以在一个狭窄的时间范围内对细胞中的蛋白质动态进行全面分析，这可以为各种生物系统中的分子行为提供信息，并有助于阐明驱动疾病的细胞变化。

“我们开发了一种方法，为我们提供了在动态，复杂的系统中量化和测量蛋白质和蛋白质修饰的绝对水平的极其重要的能力，”John Franklin Enders大学系统生物学教授兼系主任Kirschner说。哈佛医学院系统生物学系。

“该方法应广泛应用于许多生物学和生物医学研究中，”Kirschner补充道。

非洲爪蟾卵已经使用了几十年来研究受精过程中发生的分子事件，揭示细胞周期，细胞分裂和胚胎发育。

尽管多年的研究已经知道很多，但由于技术限制，科学家对受精的许多方面仍然不完全了解 - 特别是对所涉及的蛋白质的全面描述，它们的功能以及随着时间推移它们会发生什么。

条形码扫描

与哈佛医学院系统生物学研究生Marc Presler和Elizabeth Van Itallie以及哈佛医学院系统生物学和细胞生物学教授Allon Klein和Steven Gygi一起，Kirschner和研究团队使用一种技术来标记蛋白质。非洲爪蟾卵具有条形码化学标签，允许科学家使用质谱法一次分析数千种蛋白质。

当与新的分析方法结合时，这种方法允许团队测量细胞中蛋白质的绝对水平，并揭示蛋白质磷酸化的细节 - 细胞用于调节蛋白质活性的主要化学修饰之一。

在受精过程中和受精后20分钟内进行测量，研究人员发现少量低丰度蛋白质的水平会迅速下降。

在几分钟内，这些蛋白质的破坏导致整个细胞中更广泛范围的蛋白质磷酸化的逆转 - 这一过程促进细胞周期的完成，包括染色体拷贝的分离，这使卵子进一步准备生长。

虽然只有约0.01%的细胞总蛋白质质量被降解，但研究小组发现，受精还会触发从细胞中排出50倍这种蛋白质。研究人员表示，这些蛋白质主要储存在膜附近的细胞区室中，可能会分泌这些蛋白质以帮助防止多个精子细胞受精。

该释放与许多信号蛋白和其他信号蛋白的磷酸化显着上升相吻合，这些信号蛋白在受精后立即在卵子表面产生收缩波。

鸡蛋还在细胞外分泌几种蛋白质降解酶，研究人员怀疑这种酶可以通过破坏精子结合蛋白来阻止多种受精事件。在一个有些自相矛盾的发现中，研究小组还观察到蛋白质的增加会抑制蛋白质降解酶的活性。然而，原因尚不清楚，并为未来的研究提供了途径。

“我们能够观察细胞周期的新的和以前已知的特征，但我们也能够解开并行发生的其他重大事件，”Presler说。“通过同时协调数千种分子进行受精，这是我们第一次有机会在这种规模上理解它。”

新方法通过技术和数学方法的结合，可以测量蛋白质和磷酸化的绝对水平。它代表了对常用的大规模蛋白质分析的显着改进，其可以使功能差异的准确预测具有挑战性。

通过显着改善科学家研究蛋白质组成和修饰的细节和规模，即使在狭窄的时间窗口内，该团队也相信这些技术可以应用于许多生物系统。

“为了理解和治愈疾病，我们需要更准确地了解正常，健康过程中发生的事情，”Presler说。“我们询问受精和未受精卵之间的分子差异是什么，但这种方法可以立即用于研究其他重要问题，例如处于健康和疾病状态的细胞之间的差异。”

“蛋白质生物化学驱动细胞的大部分功能，这种方法可以让我们更全面地了解细胞如何做他们所做的事情，”他说。