《Development》亮點文章揭示胚胎絨毛膜內彎曲驅動機制

2021-01-15 華禹教育網
《Development》亮點文章揭示胚胎絨毛膜內彎曲驅動機制 http://www.huaue.com　 2020年12月29日　 來源：華禹教育網 　　中國海洋大學海洋生物遺傳學與育種教育部重點實驗室董波教授團隊近期在發育生物學權威雜誌《Development》發表文章，利用組織結構簡單的海洋模式動物海鞘為模型，發現其胚胎尾部彎曲是遺傳調控的主動過程，利用分子、細胞和遺傳操作等途徑進而揭示出脊索-表皮組織間協調不對稱行為驅動這一彎曲過程的細胞學和生物力學機制，並建立了數學模型定量描述和評估各組織間的貢獻。研究成果為深入理解組織彎曲這一廣泛存在且進化保守的動物器官形態發生模式提供了新見解。

　　該文章被《Development》雜誌評選為當期亮點文章，並被選為當期最令人興奮的科學發現文章進行了作者專訪和推薦報導。


　　《Development》將該工作選為當期研究亮點，論文作者接受期刊採訪，講述研究論文背後的故事

　　彎曲，作為形態發生的一種基本運動方式，廣泛存在於胚胎發育過程中，從小尺度的組織內陷如神經管形成，到大尺度的胚層摺疊及胚胎發生均涉及彎曲過程，但驅動彎曲的細胞學過程和生物機械力由何而來仍未充分揭示。胚胎彎曲，是在大多數無脊椎動物和脊椎動物當中保守的發育現象。此前，這一現象往往被理解為是由包被胚胎發育的絨毛膜狹窄空間的物理限制造成的。2020年12月，董波教授團隊在《Development》雜誌上正式發表題為「Ciona embryonic tail bending is driven by asymmetrical notochord contractility and coordinated by epithelial proliferation」的研究成果。作者通過去除絨毛膜並在不同發育時期定量描述其尾部彎角的方式，發現彎曲現象仍然存在，證實胚胎尾部彎曲本質是由遺傳控制的主動過程，絨毛膜的物理限制只是胚胎尾部彎曲的次要因素。


　　　　　　　　　　　　　　海鞘胚胎尾部的主動彎曲過程

　　在對這一彎曲過程的具體機制進行探究的過程中，作者發現脊索組織存在背腹側不對稱的肌動球蛋白分布。肌動球蛋白，作為細胞內機械拉力產生的重要結構，富集在脊索組織腹側，產生生物機械力驅動脊索細胞腹側表面積收縮，並驅動脊索組織的彎曲。遺傳學實驗證明了脊索組織彎曲對於胚胎整體的彎曲是必要的。


　　　富集在脊索組織腹側的肌動球蛋白束及其驅動細胞和組織彎曲示意圖

　　此外，表皮組織背腹側的不對稱細胞分裂導致的組織長度不對稱同樣參與了胚胎整體的彎曲驅動。在尾部彎曲階段，海鞘胚胎背側的表皮分裂速度較腹側快速。當背側表皮細胞分裂受到抑制，尾部彎曲方向被逆轉向背側。


　　　　　　　　　背腹表皮不對稱細胞分裂協調海鞘胚胎尾部彎曲

　　為驗證這兩方面機制的協作是否足夠驅動尾部彎曲過程。作者使用原子力顯微鏡測定了尾部各組織的楊氏模量，定量描述各組織的形變能力，並建立數學模型模擬尾部彎曲過程。獲得了與實際觀察一致的模擬結果，證實了背腹不對稱的脊索細胞形變和表皮細胞分裂是海鞘胚胎尾部彎曲的主要機械力來源並分別計算了兩個組織的貢獻程度。


　　數學模型模擬結果及脊索和表皮組織協調行為共同驅動胚胎尾部彎曲示意圖

　　以上研究成果解釋了海鞘胚胎尾部彎曲的結構基礎和生物力學機制，為深入理解形態發生中彎曲運動的成因提供了重要理論參考，並為胚胎彎曲這一進化保守發育事件的探索貢獻新見解。

　　本項目是董波教授團隊與清華大學馮西橋教授團隊合作完成。馮西橋教授團隊負責物理模型的構建和模擬。中國海洋大學陸瓊選博士和清華大學博士生高原為上述論文的共同第一作者，董波教授為該論文的通訊作者。董波教授團隊其它成員參與了項目研究工作。以上工作受到青島海洋科學與技術試點國家實驗室、國家基金和國家重點研發項目等經費資助。

　　通訊員：王志剛
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