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隨著生物的不斷發育，其內部的機械力會對它們的細胞施加壓力。在此前的很長一段時間裡，科學家們一直想知道我們體內的細胞是如何抵抗這些壓力並保持其形狀，從而在整個過程中保持健康的。
現在，由密西根大學的一位物理學家領導的一項研究首次發現，細胞利用稱為頂端應力纖維的微小纖維來幫助細胞在發育過程中保持形狀。此外，研究表明，這些應力纖維有助於細胞識別其自身大小，也有助於觸發細胞在必要的時候分裂。
大衛·盧本斯基（David Lubensky），一位生物物理學教授，和他在麻省理工大學、巴黎理工大學居裡研究所和法國索邦大學的同事們，研究了果蠅蛹背部和胸部的上皮細胞。上皮細胞是構成身體表面的細胞，它們構成皮膚、血管和內部器官。
研究人員發現，隨著果蠅蛹的發育，果蠅生長的身體會拉動果蠅下背部區域的細胞，當這些力量被施加時，這些細胞會產生應力纖維，幫助它們保持形狀以作出反應。他們的研究最近發表在《科學》（Science）雜誌上。
「在發育過程中，你有一個果蠅蛹，你需要把它變成一隻果蠅。在這個過程中，你必須推拉不同的組織。整個組織的形狀會發生劇烈的變化，而改變形狀需要對它們施加機械力，」盧本斯基說，他研究控制生命系統組織的物理原理。「這些纖維有點像混凝土中的鋼筋，只是細胞內部更像果凍，但原理是一樣的：這些線性纖維很好地抵抗張力，從而增強了材料的抗拉伸能力。」
在一個發育中的有機體中，每一個細胞都被其他細胞包圍；在上皮細胞中，這種緻密的堆積物將細胞塑造成多邊形或六角形結構。三個細胞相遇的地方被稱為三細胞連接。每個連接點產生這些纖維，這些纖維沿著施加在細胞上的力的方向向細胞中心移動。這些纖維主要由一種叫做肌動蛋白的蛋白質組成，向細胞的中部分裂。纖維也在第一個結對面的結中產生，並向細胞中心移動。
他們的發現還揭示了纖維的數量是如何隨細胞大小而變化的，以及細胞如何知道這些纖維中應該產生多少。身體上皮組織中的細胞形成一個緊密相連的連續層。盧本斯基說，上皮細胞之間的邊界幾乎總是相對僵硬的，因為有一條被稱為皮質肌球蛋白的帶與細胞連接相聯繫。這種與細胞連接有關的肌動球蛋白是構成纖維的同一種物質。當上皮細胞很小時，它們需要較少的纖維，因為這些連接使細胞相當堅硬。但隨著細胞變大，其柔軟的中部也會變大，需要更多的纖維來防止細胞變形。
盧本斯基說：「這是生物學上一個很好的例子，它可以根據自身的大小調整其機械性能。」
研究還揭示了這些纖維如何幫助細胞控制它們的大小的。較大的細胞更容易分裂以避免變形。盧本斯基研究了纖維的機械功能以及細胞如何知道要產生多少纖維。他發現細胞利用三細胞連接和細胞面積之間的關係來衡量細胞區域內的纖維數量。
研究人員還發現，這些纖維調節一種稱為Hippo/YAP通路的通路，這條通路已知有助於控制細胞的生長。研究小組發現，這一途徑的組成部分聚集在纖維的頂端，從而影響了該通路的活性。
盧本斯基說：「Hippo/YAP通路在生物學界非常重要，因為它與許多過程有關，包括癌症、組織修復和再生。這一發現表明，我們發現了一種新的細胞調節Hippo/YAP通路的方式，並且它們以一種大小依賴的方式調節它。」
下一步，研究人員希望更詳細地了解這個系統，包括確定為什麼這些纖維在某些連接處誕生，而在其他連接處斷裂。他們希望這些答案能幫助我們理解生物學中大小是如何調節的。