细胞:揭示组织如何形成复杂形状以使器官发挥功能的机制

来源：原网站2022-01-05 14:11

现在，在一项新的研究中，美国哈佛医学院的研究人员发现了一种机械过程，通过这种过程，细胞层被转化为内耳精致的半规管。相关研究成果最近发表在《细胞》杂志上。

2022年1月5日/Bion/-从我们动脉和静脉的光滑通道到我们内脏的纹理口袋，我们的身体是由排列成复杂形状的组织组成的，这些组织有助于执行特定的功能。然而，细胞在发育过程中如何准确地将自己折叠成如此复杂的结构？推动这一进程的基本力量是什么？

现在，在一项新的研究中，美国哈佛医学院的研究人员发现了一种机械过程，通过这种过程，细胞层被转化为内耳精致的半规管。相关研究成果最近发表在《细胞杂志》上，标题为“细胞系绳形成的细胞外透明质酸压力驱动组织形态发生”。

对斑马鱼的这项研究表明，这一过程涉及细胞产生的透明质酸，当暴露在水中时会膨胀，细胞之间的力引导这种膨胀形成组织的薄连接物，即细胞蛋白。这些作者说，虽然是在斑马鱼身上进行的，但这项研究揭示了组织如何形成形状的基本机制——这种机制可能在整个脊椎动物中保持不变，也可能对生物工程产生影响。

透明的模型

该论文的合著者、哈佛医学院Bra Vatnik研究所教授Sean Megason和他的团队研究了细胞如何发育成复杂的三维结构。为了解决这个问题，他们求助于一种经典而理想的模式生物：斑马鱼。

该论文的第一作者、该论文的合著者Akankshi Munjal解释说，“它们是透明的，所以我们只是把它们放在显微镜下，观察从单个细胞到能游泳并拥有所有部分的小鱼的整个过程。”

这些部分包括半规管，半规管是内耳中三个充满液体的管道，是平衡和空间定位所需要的。人们对半规管是如何形成的知之甚少，部分原因是在许多物种中，半规管被中耳和外耳堵塞。然而，在斑马鱼中，这些半规管靠近表面，这使得科学家能够在显微镜下观察它们的发育。

图片来自单元格，2021，doi :10.1016/j . cell . 2021 . 11 . 025

Munjal说，“这是一个令人兴奋的机会，让我们可以观察一个三维器官是如何由一个简单的细胞层形成的。我们可以完全无障碍地观察胚胎的内耳。”

梅加森补充说，“内耳是细胞如何共同工作形成生物体运作所需的复杂结构的模型。我们认为这是一个美丽的结构，但我们不知道会发现什么。”

他们的发现令他们惊讶。传统观点认为，肌动蛋白和肌球蛋白作为细胞中的微小马达，可以通过向不同方向推拉来将组织折叠成特定的形状。然而，这些作者发现斑马鱼的半规管是通过不同的过程形成的。在发育过程中，细胞产生透明质酸，这可能是美容产品中最著名的抗皱剂。一旦进入细胞外基质，透明质酸就会膨胀起来，就像游泳池里的尿布一样。这种膨胀产生了足够的力来物理地移动附近的细胞，但是因为所有方向上的压力都是相同的，所以他们想知道组织最终会如何向一个方向而不是另一个方向拉伸，从而形成细长的形状。他们发现这是由细胞之间的细胞带扣造成的，细胞带扣限制了这种膨胀的力量。

Munjal说：“这就像你把紧身衣穿在水球上，然后把它变成一个矩形结构。这种膨胀和收缩的结合逐渐将最初平坦的细胞层成形为管道。”

梅加森说：“我们的工作展示了一种新的研究方式。细胞必须使用许多不同的力量来做它们需要做的事情，时间会告诉我们肌动蛋白和肌球蛋白的分子路径和压力的物理路径之间到底有什么平衡。”他补充说，他希望这将鼓励人们考虑可能参与塑造该组织的其他机制。

梅加森和蒙贾尔补充说，他们的发现可能具有更广泛的意义。斑马鱼半规管中控制透明质酸产生的基因也存在于哺乳动物的半规管中，这表明类似的过程可能正在发生。此外，透明质酸存在于人体的许多部位，包括皮肤和关节，这表明它可能在塑造许多组织和器官方面发挥作用——这是未来研究的一种方式。如果是这样的话，那么研究参与透明质酸产生的基因可以帮助科学家了解透明质酸驱动的器官的先天缺陷。

Munjal说，“这可能是一个广泛的、跨物种和跨器官的保护机制。”这种机制也可以应用于生物工程。

梅加森指出，实验室培育的器官仍然是一项正在进行的工作，但关键的一步将是分析器官是如何在有机体内形成的。梅加森说，“我们试图分析像内耳这样的复杂器官是如何在体内形成的步骤，然后定量地了解这些步骤。我们希望这将为细胞生长成我们想要的任何模式和形状奠定基础。”(100yiyao.com 100医疗网)

参考文献：

Akankshi Munjal等人。Cell，2021，doi :10 . 1016/j . cell . 2021 . 11 . 025。

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