生物体内的复杂形状是如何形成的？
生物体内的复杂形状是如何形成的？Original Måka
原理 2022-01-07 20:34
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMH7Yun2XkxJicuwSefPn0cHk1NemrskoNbYSGtdqMBmuDiaLCmbJGlBD2iaXb4hhLNRiaviafBd1fbpwQ/640?wx_fmt=jpeg
从我们的动脉和静脉的光滑血管，到内部器官质地不平的囊袋，我们的身体是由各种组织构成的，它们被排列成复杂的形状，有助于执行特定的功能。
但在发育过程中，细胞如何将自己精确地折叠成如此复杂的构造呢？驱动这一过程的基本力量又是什么？
近日，一组科学团队发现了一个机械过程，通过这个过程，原本简单的细胞片能蜕变为内耳中精致的环形半规管。它涉及细胞产生的遇水膨胀的透明质酸，还有引导这种膨胀的力量来塑造组织的细胞间的薄连接体。研究已于近日发表在《细胞》杂志上。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_gif/tqOuxs8dsHMH7Yun2XkxJicuwSefPn0cHLfYXpl9iaYpRY5kFKfIs0OpvTbUCibfuG7kpFk1ia3YBdJNeqqgCaNGtA/640?wx_fmt=gif一个两天大的斑马鱼胚胎内耳的半规管形成的缩时摄影。| 图片来源：Akankshi Munjal/Acquired using Zeiss LSM 710 and 3D rendered with FlouRender
一个透明的模型
这个团队一直在研究细胞如何发展成复杂的三维结构。为了解决这个问题，他们找到了一种经典且理想的模型生物，那就是斑马鱼。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMH7Yun2XkxJicuwSefPn0cHpl0yRqicVVum5rcKQVeiaNCdmDkxHjfspYh0VDpepKMEia8UGJjDZDUcA/640?wx_fmt=jpeg斑马鱼。| 图片来源：Oregon State University under CC BY-SA
斑马鱼的特点在于，它们是透明的，只要放在显微镜下，就可以观察到从一个单细胞发育到能游动并拥有完整身体部件的幼体的整个过程。
在诸多身体部件中，半规管引起了研究人员的兴趣。这是内耳中三个充满液体的小管，是平衡和空间定位中必不可少的部分。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，它会被中耳和外耳挡住。但在斑马鱼中，这些小管非常靠近表面，使研究人员能够在显微镜下观察它们的发育。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMH7Yun2XkxJicuwSefPn0cHOwSa7v90Ix8D8WDmZNpncDSB8fLBz7x9DyDSbhuzDrdycPib8DasWKQ/640?wx_fmt=jpeg半规管形成示意图。| 图片来源：Akankshi Munjal/Cell 2021
因此，斑马鱼的内耳成了一个理想模型，它能很好地说明细胞如何一起工作，从而形成生物功能所需的复杂结构。
一种全新的机制
关于组织形状的出现的传统想法是，两种常见的蛋白质，也就是肌动蛋白和肌球蛋白，会作为细胞内的微型马达，在不同的方向上进行推拉，将组织折叠成一个特定的形状。
但研究人员发现，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，细胞在基因的控制下会产生透明质酸，这一种在生物体内非常常见的多糖类物质。（由于它也具有较强的保水作用，也成了美容产品中最有名的抗皱剂之一。）
一旦进入细胞外基质，也就是细胞外部的微环境中，这种酸就会膨胀起来，这其实和向游泳池里丢下一块尿不湿没什么两样。
这种膨胀产生了足够的力来移动附近的细胞。但由于压强在所有方向上都是相同的，研究人员还需要解决的问题是，组织如何最终朝向某个方向，而非其他方向伸展，从而形成一个被拉长的形状。
他们发现，这是由细胞之间的一种薄的连接体完成的，也被称为细胞拴（cytocinches），它们限制了这种力的方向。打个比方，这就像你给水球外面套上了一件紧身衣，让它变形成椭球体的形状。这种膨胀和束缚的完美组合逐渐将最初平坦的细胞片塑造成了管状。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMH7Yun2XkxJicuwSefPn0cHtPKmLxGR2YYOqsrweKZTeSiaYuEGKQOeFUpgShBUfnTGTGEqbjbkYjA/640?wx_fmt=jpeg斑马鱼半规管形成机制示意图。| 图片来源：Cell
更广泛的意义
研究团队认为，尽管研究是在斑马鱼中进行的，但这项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生产的基因，同样存在于哺乳动物的半规管中。此外，透明质酸也存在于人体的多个部位，包括皮肤和关节。这都表明，它们可能在塑造许多组织和器官方面都发挥着重要作用。有理由猜测，这可能是一种广泛而保守的跨物种机制。
细胞必须借助许多不同的力量来完成它们所需的结构。科学家同样希望这项发现能鼓励研究人员思考参与塑造组织的其他可能。
#创作团队：
编译：Måka排版：雯雯
#参考来源：
https://hms.harvard.edu/news/shape-thingshttps://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)01373-8#图片来源：封面图：darksouls1 / pixabay首图：pixabay
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