Cell：揭示组织如何形成复杂的形状从而使让器官发挥功能的机制

2022年1月5日讯/生物谷BIOON/---从我们的动脉和静脉的光滑管道到我们内部器官的纹理口袋，我们的身体是由组织组成的，它们排列成复杂的形状，有助于执行特定功能。但是，在发育过程中，细胞是如何将自己精确地折叠成如此复杂的构造的呢？驱动这一过程的基本力量是什么？

如今，在一项新的研究中，来自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，细胞层蜕变为内耳的精致、环形的半规管（semicircular canal）。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Extracellular hyaluronate pressure shaped by cellular tethers drives tissue morphogenesis”。

这项在斑马鱼身上进行的研究揭示了这一过程涉及细胞产生的遇水会膨胀的透明质酸和细胞之间的引导这种膨胀的力量来塑造组织的薄连接件，即细胞扣（cytocinches）。这些作者说，尽管是在斑马鱼中进行的，但是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，而且也可能对生物工程产生影响。

一种透明的模型

论文共同通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学教授Sean Megason和他的团队研究了细胞如何发展成复杂的三维结构。为了解决这个问题，他们借助于一种经典且理想的模型生物：斑马鱼。

论文第一作者兼论文共同通讯作者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够游泳并拥有所有部分的幼鱼的整个过程。”

这些部分包括半规管，这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。人们对半规管如何形成知之甚少，部分原因是在许多物种中，半规管被中耳和外耳遮挡。然而，在斑马鱼中，这些半规管靠近表面，使得科学家们能够在显微镜下观察它们的发育。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.025。

Munjal说，“这对我们来说是一个令人兴奋的机会，可以观察一种三维器官是如何从简单的细胞层形成的。我们可以完全无障碍地观察胚胎中的内耳。”

Megason补充说，“内耳是细胞如何协同工作以形成有机体发挥功能所需的复杂结构的模型。我们认为这是一种美丽的结构，但不知道我们会发现什么。”

他们的发现让他们感到吃惊。传统的想法是，肌动蛋白和肌球蛋白作为细胞内的微小马达，在不同的方向上推拉它们，可将组织折叠成一种特定的形状。然而，这些作者发现，斑马鱼的半规管是通过一个明显不同的过程形成的。在发育过程中，细胞产生透明质酸，它可能是美容产品中最为知名的抗皱剂。一旦进入胞外基质，透明质酸就会膨胀起来，与游泳池里的尿布没什么两样。这种膨胀产生了足够的力量来物理性地移动附近的细胞，但由于压力在所有方向上都是相同的，他们想知道组织如何最终向一个方向伸展，而不是向另一个方向伸展，从而形成一种拉长的形状。他们发现这是由细胞之间的对这种膨胀的力量进行限制的细胞扣完成的。

Munjal说，“这就像你给水球穿上紧身衣，使其变形为一个长方形结构。这种膨胀和收紧的组合逐渐将最初平坦的细胞层塑造为管道。”

Megason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完成它们需要做的事情，时间会确切地告诉我们，在肌动蛋白和肌球蛋白的分子途径与压力的物理途径之间的平衡是什么。”他补充说，他希望这将鼓励人们考虑可能参与塑造组织的其他机制。

Megason和Munjal补充说，他们的发现可能具有更广泛的意义。控制斑马鱼半规管中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多个部位，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---这是未来研究的一个途径。如果事实确实如此，那么研究参与透明质酸产生的基因可以帮助科学家们了解透明质酸驱动发育的器官存在的先天性缺陷。

Munjal说，“这可能是一种广泛存在的、跨物种和跨器官的保守机制。”该机制也可能应用于生物工程中。

Megason指出，实验室培养的器官仍然是一项正在进行的工作，但关键的一步将是解析器官如何在有机体内形成。Megason说，“我们正试图剖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。我们希望这将为让细胞生长成我们想要的任何模式和形状奠定基础。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Akankshi Munjal et al. Extracellular hyaluronate pressure shaped by cellular tethers drives tissue morphogenesis. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.11.025.