Cell：细胞导管通过传递形态发生素信号在神经发育过程中起着重要作用

在一项新的研究中，来自美国圣犹大儿童研究医院的研究人员发现，细胞导管（cytoneme）---细胞表面上细长的毛发状突起---在神经发育过程中非常重要。在发育中的脊椎动物组织中，细胞导管连接着远距离通信的细胞，但很难用显微镜捕捉到。他们首次找到了一种方法，可以直观地观察细胞导管如何在哺乳动物神经系统发育过程中转运信号分子。相关研究结果发表在2024年1月18日的Cell期刊上，论文标题为“Cytoneme signaling provides essential contributions to mammalian tissue patterning”。

论文通讯作者、圣犹大儿童研究医院细胞与分子生物学系博士Stacey Ogden说，“我们发现细胞导管是信号传递的直接快速途径。细胞在发育和组织稳态过程中需要相互沟通，并能联系到更多的邻居。我们确定了一种将信号装载到细胞导管中以传递到响应细胞群体的方式，并证实当这种信号分散方式受到损害时，组织模式化就不会正常发生。”

快速信号传递为神经系统的成功奠定了基础

Ogden实验室通过将现代显微镜技术与优化样品制备相结合，首次实现了哺乳动物神经系统发育过程中细胞导管的可视化观察。Ogden说，“长期以来，在发育中的哺乳动物组织中可视化观察这些结构一直是一项挑战。但我们终于找到了一种方法。”

利用他们的新方法，这些作者捕捉到了细胞导管如何充当‘快速信号传递’系统的图片，该系统可以跳过干扰细胞，直接向更远的细胞传递信号，类似于只在主要站点停靠的快速地铁。其中一个主要站点是脊索，它产生的信号对组装发育中的脊髓起着至关重要的作用。Ogden团队捕捉到了源自脊索的细胞导管内运输过程的图片。

当这些作者阻止信号蛋白进入细胞导管时，小鼠模型中的神经发育就会受到破坏，造成重大的神经系统缺陷。

Ogden说，“这是首次证实在神经管等复杂哺乳动物组织的发育过程中发生了这些基于细胞导管的运输过程。我们随后证实，当我们减少细胞导管数量或降低细胞将信号蛋白载入这些结构的能力时，我们就会出现发育缺陷。”

细胞导管运输有助于建立梯度

哺乳动物的发育是一个精心引导的过程，必须协调所有器官和组织才能正确形成。细胞知道何时采用特定命运的一种方法是对称为形态发生素（morphogen）的信号蛋白的不同阈值做出反应。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.12.003

细胞通过信号梯度对这些信号做出不同的反应，在特定形态发生素的高浓度和低浓度下呈现不同的特征。良好的梯度是发育所必需的，而不良的梯度则会带来灾难。

尽管它们很重要，但这些形态发生素的模式是如何产生的，仍然是一个谜。简单的扩散可以解释一些，但不是全部的梯度。当这些作者阻断信号进入细胞导管时产生的神经缺陷提供了证据，支持细胞导管信号传递在形态发生素模式化过程中的关键作用。

Ogden说，“这些缺陷确实是细胞导管信号传递在神经管形态形成过程中发挥关键作用的第一个直接证据。”

通过细胞导管传导SHH信号

这些作者阐明了神经管中形成形态发生素SHH梯度的一种方式。众所周知，SHH是神经发育过程中的一种关键信号分子，但其到达靶细胞的路径一直难以确定。这项新的研究发现，细胞导管是形成SHH信号梯度的关键因素。相应地，当SHH不能被装载到细胞导管中时，它的信号传递功能就会受到破坏。

Odgen说，“在形态发生素信号传递研究领域，我们一直想知道信号如何从一个细胞群体传播到另一个接收细胞群体，从而形成梯度。令人兴奋的是，产生形态发生素信号的细胞在通过细胞导管形态发生素信号的过程中发挥着积极的作用。传递信号的细胞不仅在制造形态发生素，而且还在帮助以物理方式传递信号。”

目前还不清楚的是，信号蛋白的细胞导管快速运输在发育过程中的广泛程度。Ogden说，“在这项新的研究中，我们将SHH作为一个模型。但我们也有证据表明，这些结构对于运输神经管发育过程中至关重要的其他信号可能也很重要。如今，我们开发出一种可视化观察这些细胞导管的系统，我们可以开始揭示它们功能的真正广度了。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Eric T. Hall et al. Cytoneme signaling provides essential contributions to mammalian tissue patterning. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2023.12.003.

Elusive cytonemes guide neural development, provide signaling 'express route'
https://phys.org/news/2024-01-elusive-cytonemes-neural-route.html