“鋅和錳的火花” – 3億年來一直在卵子受精時上演的生物煙花表演

科學家們利用高級光子源在兩棲動物的卵子中展示了 “鋅火花”,一種哺乳動物的卵子在受精后立即釋放鋅離子雨的現象。五年前,西北大學的研究人員發現人類的卵子在被精子受精後會釋放出數十億的鋅離子,被稱為 “鋅火花”,從而成為國際頭條。

"鋅和錳的火花" - 3億年來一直在卵子受精時上演的生物煙花表演

現在,西北大學與美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室和密歇根州立大學(MSU)合作,揭示出當青蛙卵子受精時,這些同樣的火花從卵子表面的高度專門的金屬負載區飛出。這意味着受孕的早期化學成分的進化根源至少可以追溯到3億年前,即青蛙和人類之間的最後一個共同祖先。而且這項研究的影響超出了這種共同的生物學和根深蒂固的歷史。它還可以幫助塑造未來關於金屬如何影響人類發展的最早時刻的研究結果。

2021年6月21日發表在《自然-化學》雜誌上的研究論文的資深作者Thomas O’Halloran說:”這項工作可能有助於我們了解飲食中的鋅狀況和人類生育能力的相互作用。”

O’Halloran是西北大學最初的鋅火花發現的一部分,今年早些時候,他加入密歇根州立大學,擔任微生物學和分子遺傳學及化學的基礎教授。O’Halloran是西北大學生命過程化學研究所(簡稱CLP)的創始人,現在仍然是該研究所的成員。研究小組還發現,受精的蛙卵除了鋅之外,還噴射出另一種金屬:錳,這些噴出的錳離子與受精卵周圍的精子發生了碰撞,並阻止它們進入。O’Halloran說:”這些突破支持了一種新的情況,即過渡金屬被細胞用來調節生物體生命中的一些最早的決定。”

為了做出這些發現,該團隊需要使用世界上最強大的一些顯微鏡,以及跨越化學、生物學和X射線物理學的專業知識。這種獨特的組合包括生命科學定量元素圖譜中心的合作者,或稱QE-Map,這是一個由美國國家衛生研究院資助的跨學科研究中心,位於MSU和西北大學的CLP。這項研究在很大程度上依賴於阿貢的工具和專業知識。研究小組將青蛙卵和胚胎的切片帶到阿貢進行分析。利用X射線和電子顯微鏡,研究人員確定了受精前後金屬的特性、濃度和細胞內的分佈。

研究人員在阿貢的美國能源部科學辦公室用戶設施–納米級材料中心(CNM)使用透射電子顯微鏡進行了補充掃描。進一步的分析是在一個單獨的原型掃描透射電子顯微鏡上進行的,其中包括阿貢高級科學家Nestor Zaluzec開發的技術,他是該論文的作者之一。這些掃描是在更小的範圍內進行的–小到幾納米,大約比人類頭髮的寬度小10萬倍,但發現了同樣的結果:在外層周圍的口袋裡有高濃度的金屬。

X射線和電子顯微鏡都顯示,這些口袋裡的金屬在受精後幾乎完全釋放。

“我們通常認為基因是關鍵的調節因素,但我們的工作表明,像鋅和錳這樣的原子對受精后的第一步發育至關重要,”MSU教務長Teresa K. Woodruff博士說,他是該論文的另一位資深作者。Woodruff是MSU基金會的教授,也是CLP的前成員,也是五年前發現鋅火花的西北團隊的領導者。隨着在非洲爪蛙(或稱Xenopus laevis)身上發現了錳火花,該團隊很高興能探索人類卵子受精時是否會釋放這種元素。

該研究的另一位資深作者、CLP成員、西北大學分子生物科學系主任Carole LaBonne說:”Xenopus是這種研究的完美系統,因為它們的卵比人類或小鼠的卵大一個數量級,而且可以大量獲得。鋅和錳火花的發現令人激動,並表明這些過渡金屬可能還有其他基本的信號作用。”