首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

机械力控制胚胎生长,生命成形

Jan 26, 2021 No Comments

 

机械力控制胚胎生长,生命成形
对胚胎,如斑马鱼的研究,揭示了机械力在生物学中的作用。


科学家正在不断探索机械力在塑造胚胎生长上的作用。

一开始,胚胎没有前或后,头或尾,它只是一个简单的、细胞组成的球体。但是很快,平滑的细胞团开始改变。液体在球体中间聚集。细胞像蜂蜜一样流动,来到属于自己的位置(对应的器官组织的位置)。细胞层折叠折起来,形成心脏、肠道和大脑。

没有挤压、弯曲和拉扯,这一切都不会发生。即使到了成年期,细胞也会继续对彼此之间以及与环境之间的推拉关系做出反应。

但是,在纽约洛克菲勒大学(Rockefeller University)研究形态发生的发育生物学家Amy Shyer指出,身体和组织的形成方式仍然是“我们这个时代最重要的,但仍知之甚少的问题之一”。几十年来,生物学家一直专注于基因和其它生物分子塑造身体的方式,主要是因为分析这些信号的工具容易获得,并且一直在改进。机械力受到的关注要少得多。

但是,只考虑基因和生物分子“就像只用13个字母写书一样”,西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚生物工程研究所(Institute for Bioengineering of Catalonia)的机械生物学家Xavier Trepat提到。

在过去的20年中,越来越多的科学家开始关注力学在各个发育阶段、各个器官和各个生物体中的重要性。研究人员已经开始定义细胞感应、响应和产生力的机制。他们通过发明定制工具和技巧,结合激光和微量移液器、磁性颗粒和定制显微镜来做到这一点。大多数研究人员正在使用培养皿中培养的细胞或组织来探测机械信号。但是有几个小组正在研究整个动物,有时他们会发现整个动物中机械力的工作原理与孤立组织中的原理不同。伦敦大学学院(University College London)的一名发育生物学家Roberto Mayor表示,这些体内研究面临许多挑战,例如测量复杂组织中的微小力量,但它们对于理解力在塑造生命中的作用至关重要。

随着一些坚定的科学家开始克服这些挑战,他们已经观察到了机械力在生命过程——从胚胎存在的最早阶段到生命晚期的疾病——中的重要作用。从本质上讲,这些信息可能有助于科学家针对不孕症或癌症等问题设计更好的干预措施。

法国马赛发育生物学研究所(Developmental Biology Institute of Marseille)的发育生物学家Thomas Lecuit指出,机械力在形态发挥作用的每个实例中都扮演了重要角色。

 

生命之初的力

在胚胎成形之前,它必须破坏光滑细胞球的对称性。在开始了解此过程的遗传和化学控制之后,科学家现在对力学有了更多的了解。巴黎居里研究所(Curie Institute)的生物学家Jean-Léon Maître指出,机械力在发育中的作用逐渐显现出来。例如,随着哺乳动物胚胎产生其前、后、头和尾,诸如流体压力和细胞密度之类的物理特性是关键。

Maître的小组研究了早期小鼠胚胎如何从最初的细胞球发育出一个巨大的充满液体的腔——管腔。随着该腔的充满,将成为胎儿的细胞在一侧堆在一起。第一个对称性破坏事件可确保胚胎正确植入子宫壁,并控制胚胎的哪一侧将成为背部和腹部。目前尚不清楚的是胚胎如何形成和定位管腔(图:发育的压力)。

当Maître的团队对胚胎发育过程进行详细成像时,发现了一些意外情况。Maître表示,他们看到了这些小气泡,这些小气泡在细胞之间形成。它们是瞬态的——如果成像速度不够快,你就会错过它们。这些气泡中的流体来自胚胎周围的液体,这些液体由于外部较高浓度的水分子而被迫进入胚胎内部。接下来,研究小组看到了来自各个气泡的水开始流动——Maître认为这可能是通过细胞之间的间隙流动的——形成管腔。

研究人员通过观察跨细胞间隙的蛋白质证实了这种情况,这些蛋白质相互接触以将细胞紧密地粘在一起。随着气泡的出现,这些粘附蛋白似乎随着细胞被推开而破裂。具有较少粘附蛋白的细胞更易于分离。

Maître表示,这是首次观察到加压流体可以通过破坏细胞之间的联系来塑造胚胎。为什么胚胎会迫使细胞彼此分离以建立自身?这似乎效率低下,风险很大。他最大的猜测是,该策略的形成并不是因为它是解决问题的最佳方法,而是因为它“足够好”。该团队正在人类细胞中研究胚胎力学,他希望这方面的进展可以帮助体外受精诊所选择那些植入后受孕成功率更高的胚胎。

在后来的发育中,胚胎在另一个方向上打破了对称性,使头与尾区别开来。加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的生物物理学家Otger Campàs追踪了斑马鱼(Danio rerio)胚胎中尾巴生长的过程。他的小组通过将负载有磁性纳米粒子的油滴注入细胞之间的空间来测量所涉及的力。然后研究人员施加磁场使液滴变形,以便他们可以测量组织对推动的反应。

他们发现,长尾巴的尖端处于物理学家称为“流体”的状态——细胞自由流动,受压时组织容易变形。科学家发现,离尾端越远,组织变得越硬。据Campàs回忆,他们知道它正在加固变硬,但他们不知道具体机制。

细胞之间没有增加硬度的分子——没有分子构成结构基质——但是当研究人员测量细胞之间的空间时,他们发现尾部的细胞间有缝隙,但更靠近头部的部分缝隙更小。当细胞聚集在一起时,组织变硬,不再是流体状态。Campàs将这个过程比喻成咖啡谷物的包装:谷物可以自由地流入袋中,但紧密地包装在一起,装满的袋子就像砖一样硬。他计划研究这种机制是否是其它胚胎结构(如肢芽)形成的基础。

机械力控制胚胎生长,生命成形1


形成心和脑

一旦发育中的胚胎自我定位,各个器官就会开始形成。新加坡国立大学(National University of Singapore)的发育生物学家Timothy Saunders指出,从根本上讲,我们对任何内部器官的形成方式了解甚少。(他指出,唯一的例外是肠道。)

情况开始改变。例如,Saunders的小组探索了果蝇胚胎中的心脏形成。一个关键事件是,两块组织汇聚在一起形成一根细管,最终将成为心脏。每一块组织包含两种心肌细胞。碎片必须正确地拼接,成对地配对,以使心脏健康。Saunders表示,他们经常会看到失调,然后又被纠正。是什么导致了纠正?

事实证明,纠正来自心脏细胞本身的一种力量。已知一种称为肌球蛋白II的蛋白质,它是使肌肉细胞收缩的蛋白质的类似物,在拼接过程中会从每个细胞的中央流向其边缘。当时在读研究生的Shaobo Zhang(现正准备去加利福尼亚大学旧金山分校做博士后)想知道,肌球蛋白是否会产生拉力,从而打破错配部分之间的连接。

为了检验他的理论,Zhang用激光将成对的细胞切成薄片。细胞相互拉动,就像用剪刀剪断的绷紧的橡皮筋一样。Saunders指出,他们可以看到美丽的反冲力。但是,当研究小组将缺乏肌球蛋白II的细胞切开时,缺什么都没有发生。肌球蛋白就像手指将橡皮筋拉开一样,正在产生从内部推开细胞连接的力。不匹配的细胞,其链接断开,将得到第二次机会去找正确的配对。

正如英国剑桥大学(University of Cambridge)的研究人员在非洲爪蛙的胚胎中发现的那样,简单的细胞增殖也可以发出信号,指示细胞正确安排自身的位置。由物理生物学家Kristian Franze领导的研究小组已经知道,在眼睛和大脑的连接过程中,眼睛神经元会沿着由脑组织硬度梯度所定义的路径发出轴突。在发育中的大脑中,眼轴突跟随较软的组织朝向较硬的大脑中心发出轴突。

为了确定该途径的形成时间和方式,该团队定制了一个显微镜,利用微小的探针测量组织的刚度,他们就可以同时观察体内的过程。Franze表示,他们看到轴突伸出之前大约15分钟出现了刚度梯度。Franze也是德国埃尔兰根-纽伦堡大学(University of Erlangen-Nuremberg)医学物理和微组织工程研究所(Institute for Medical Physics and Microtissue Engineering)的负责人。

梯度是如何形成的?就像在斑马鱼的尾巴中一样,非洲爪蛙大脑中较硬的组织似乎含有更大的细胞密度。当研究小组阻止正在发育的胚胎中的细胞分裂时,刚度梯度就不会出现,而且轴突也找不到方向。用细胞填充空间似乎是指导神经系统与其它组织连接的一种快速有效的方法。

 

持续压力

发育完全的动物在继续生长或应对疾病时也必须与力抗衡。例如,长胖时,皮肤会生长以覆盖身体。在乳房重建术中需要更多的皮肤来覆盖植入物,为此外科医生利用了力来刺激皮肤生长。首先,他们插入一个“气球”,并在几个月内用盐水逐渐充满,拉伸现有的皮肤,直到长出足够的新皮肤以用于第二次手术为止。

但是皮肤细胞如何应对这种压力并繁殖呢?比利时自由大学(UniversitéLibre de Bruxelles)的博后、干细胞生物学家Mariaceleste Aragona与Cédric Blanpain合作,解决了这个问题。她在小鼠皮肤下植入了一种自膨胀水凝胶的小球。随着水凝胶吸收液体,最终体积达到4毫升,皮肤在其周围伸展。在植入水凝胶的一天之内,Aragona看到皮肤外层下的干细胞开始繁殖,提供了可以分化为新皮肤的原材料。

但是,并非所有的干细胞都因这种拉伸而增殖。只有先前未定义的亚群才能增殖出新的干细胞。现在在哥本哈根大学(University of Copenhagen)的Aragona表示,他们仍然不知道个中机制。Blanpain补充,了解这一机制可能会推动促进皮肤生长以进行外科手术重建或伤口愈合的方法。

组织的机械特性在异常细胞生长(例如癌症)中也起作用。Trepat表示,实体肿瘤比正常组织更硬。部分原因是由于细胞周围多余的纤维网(名为细胞外基质),也由于癌细胞本身正在增殖。

Trepat补充,硬化会使癌细胞更具恶性,如果科学家能够理解原因,他们就有可能设计出能够改变这些物理特性,并降低癌症危险性的治疗方法。

在一项相关研究中,洛克菲勒大学的研究人员确定了机械力,这些机械力解释了为什么某些皮肤癌是良性的,而某些是恶性的。皮肤干细胞会引起两种类型的癌症:不扩散到皮肤之外的基底细胞癌和浸润性鳞状细胞癌。每一层都压在下面的基底膜(一层将皮肤的外层与较深的组织分开的结构蛋白)上。良性基底细胞肿瘤很少会穿透基底膜,但侵略性较高的基底细胞肿瘤通常会穿透基底膜,从而通过脉管系统游走并进入人体其它部位(图:皮肤癌的发病机制)。

干细胞生物学家Elaine Fuchs和Vincent Fiore在研究小鼠的皮肤时,发现良性癌症形成了一个更厚、更柔软的基底膜,该基底膜像手套一样包裹着肿瘤细胞。但是侵袭性肿瘤的基底膜较薄。

来自上方的力也有助于浸润性肿瘤逃脱。鳞状细胞癌会形成一层坚硬的分化皮肤细胞,名为角化珠(keratin pearl)。角化珠通过压在肿瘤上方,可以帮助肿瘤像通过玻璃的拳头一样穿过脆弱的基底膜。

Fuchs指出,在进行这项工作之前,研究人员曾假设,具有固定功能的分化皮肤细胞不会产生机械力。但事实证明,并非如此。她认为这是主要的惊喜。

接下来,Fuchs和Fiore计划研究细胞如何感知这些机械力,以及如何将其转换为产生更厚的基底膜或促进分化的基因表达程序。

洛克菲勒大学的发育生物学家Alan Rodrigues指出,这个问题——力和基因之间如何关联——是关键。这不仅是皮肤癌的问题。力学中的深层问题实际上是在思考它与分子之间的关系。

其他人也在调查这一关联。Lecuit指出,事实上,并不是'基因可以完成任何事情'或'力学可以完成所有事情',而是二者之间的有趣互动完成了这些事情。

机械力控制胚胎生长,生命成形2

 

原文检索:

Amber Dance. (2021) The secret forces that squeeze and pull life into shape. Nature, 589: 186-188.
张洁/编译

新闻特写, 热点
No Responses to “机械力控制胚胎生长,生命成形”

Leave a Reply


− 4 = two