半個多世紀(jì)以來，對非洲爪蛙(非洲爪蟾)的研究已經(jīng)幫助科學(xué)家更好地了解生命的生物學(xué)基礎(chǔ)，從胚胎發(fā)育和神經(jīng)生物學(xué)到遺傳學(xué)和疾病。青蛙聲名鵲起包括諾貝爾獎獲獎?wù)甙l(fā)現(xiàn)成人細(xì)胞命運可以重新編程，它曾經(jīng)是世界上唯一可靠的妊娠試驗?，F(xiàn)在，新技術(shù)使科學(xué)家們能夠更多地了解從這些家常模式生物中驅(qū)動生物學(xué)的基本過程。

在報告的美國國家科學(xué)院論文集，由哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)家馬克·克氏針領(lǐng)導(dǎo)的研究小組描述了識別和測量在數(shù)千種蛋白質(zhì)的變化爪蟾卵受精進(jìn)行了新的途徑。

他們的研究揭示了受精分子機制以前不透明的方面，包括受精如何觸發(fā)少量低豐度蛋白質(zhì)的破壞以釋放卵子細(xì)胞周期的“剎車”，以及卵子如何快速釋放有助于防止多個精子細(xì)胞受精的蛋白質(zhì)含量。

研究人員表示，這項研究結(jié)果可以在一個狹窄的時間范圍內(nèi)對細(xì)胞中的蛋白質(zhì)動態(tài)進(jìn)行全面分析，這可以為各種生物系統(tǒng)中的分子行為提供信息，并有助于闡明驅(qū)動疾病的細(xì)胞變化。

“我們開發(fā)了一種方法，為我們提供了在動態(tài)，復(fù)雜的系統(tǒng)中量化和測量蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)修飾的絕對水平的極其重要的能力，”John Franklin Enders大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)教授兼系主任Kirschner說。哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)系。

“該方法應(yīng)廣泛應(yīng)用于許多生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究中，”Kirschner補充道。

非洲爪蟾卵已經(jīng)使用了幾十年來研究受精過程中發(fā)生的分子事件，揭示細(xì)胞周期，細(xì)胞分裂和胚胎發(fā)育。

盡管多年的研究已經(jīng)知道很多，但由于技術(shù)限制，科學(xué)家對受精的許多方面仍然不完全了解 - 特別是對所涉及的蛋白質(zhì)的全面描述，它們的功能以及隨著時間推移它們會發(fā)生什么。

條形碼掃描

與哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)研究生Marc Presler和Elizabeth Van Itallie以及哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)教授Allon Klein和Steven Gygi一起，Kirschner和研究團(tuán)隊使用一種技術(shù)來標(biāo)記蛋白質(zhì)。非洲爪蟾卵具有條形碼化學(xué)標(biāo)簽，允許科學(xué)家使用質(zhì)譜法一次分析數(shù)千種蛋白質(zhì)。

當(dāng)與新的分析方法結(jié)合時，這種方法允許團(tuán)隊測量細(xì)胞中蛋白質(zhì)的絕對水平，并揭示蛋白質(zhì)磷酸化的細(xì)節(jié) - 細(xì)胞用于調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性的主要化學(xué)修飾之一。

在受精過程中和受精后20分鐘內(nèi)進(jìn)行測量，研究人員發(fā)現(xiàn)少量低豐度蛋白質(zhì)的水平會迅速下降。

在幾分鐘內(nèi)，這些蛋白質(zhì)的破壞導(dǎo)致整個細(xì)胞中更廣泛范圍的蛋白質(zhì)磷酸化的逆轉(zhuǎn) - 這一過程促進(jìn)細(xì)胞周期的完成，包括染色體拷貝的分離，這使卵子進(jìn)一步準(zhǔn)備生長。

雖然只有約0.01%的細(xì)胞總蛋白質(zhì)質(zhì)量被降解，但研究小組發(fā)現(xiàn)，受精還會觸發(fā)從細(xì)胞中排出50倍這種蛋白質(zhì)。研究人員表示，這些蛋白質(zhì)主要儲存在膜附近的細(xì)胞區(qū)室中，可能會分泌這些蛋白質(zhì)以幫助防止多個精子細(xì)胞受精。

該釋放與許多信號蛋白和其他信號蛋白的磷酸化顯著上升相吻合，這些信號蛋白在受精后立即在卵子表面產(chǎn)生收縮波。

雞蛋還在細(xì)胞外分泌幾種蛋白質(zhì)降解酶，研究人員懷疑這種酶可以通過破壞精子結(jié)合蛋白來阻止多種受精事件。在一個有些自相矛盾的發(fā)現(xiàn)中，研究小組還觀察到蛋白質(zhì)的增加會抑制蛋白質(zhì)降解酶的活性。然而，原因尚不清楚，并為未來的研究提供了途徑。

“我們能夠觀察細(xì)胞周期的新的和以前已知的特征，但我們也能夠解開并行發(fā)生的其他重大事件，”Presler說。“通過同時協(xié)調(diào)數(shù)千種分子進(jìn)行受精，這是我們第一次有機會在這種規(guī)模上理解它。”

新方法通過技術(shù)和數(shù)學(xué)方法的結(jié)合，可以測量蛋白質(zhì)和磷酸化的絕對水平。它代表了對常用的大規(guī)模蛋白質(zhì)分析的顯著改進(jìn)，其可以使功能差異的準(zhǔn)確預(yù)測具有挑戰(zhàn)性。

通過顯著改善科學(xué)家研究蛋白質(zhì)組成和修飾的細(xì)節(jié)和規(guī)模，即使在狹窄的時間窗口內(nèi)，該團(tuán)隊也相信這些技術(shù)可以應(yīng)用于許多生物系統(tǒng)。

“為了理解和治愈疾病，我們需要更準(zhǔn)確地了解正常，健康過程中發(fā)生的事情，”Presler說。“我們詢問受精和未受精卵之間的分子差異是什么，但這種方法可以立即用于研究其他重要問題，例如處于健康和疾病狀態(tài)的細(xì)胞之間的差異。”

“蛋白質(zhì)生物化學(xué)驅(qū)動細(xì)胞的大部分功能，這種方法可以讓我們更全面地了解細(xì)胞如何做他們所做的事情，”他說。