揭秘斑马鱼身体轴伸长之谜：后组织物理状态与细胞流动的奇妙关联

《Nature Communications》：The physical roles of different posterior tissues in zebrafish axis elongation

为解决特定分子扰动如何影响组织物理状态等问题，研究人员开展斑马鱼身体轴伸长相关研究。发现不同组织物理状态和细胞运动的时空变化等结果。该研究为理解胚胎发育组织力学调控机制提供新视角，值得科研读者一读。

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在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学家们热衷探索的神秘领域。胚胎的发育就像一场精心编排的舞蹈，细胞们在遗传和信号的指挥下，有序地进行着各种活动，逐渐塑造出复杂的生命体。其中，胚胎组织的形态发生（胚胎发育过程中细胞和组织形成特定形态和结构的过程）是一个关键环节，它涉及到遗传、信号活动以及组织力学等多个方面的变化。然而，目前科学家们对于特定分子扰动如何影响组织物理状态的了解还十分有限。就好比我们知道一场演出需要舞台、演员和导演的配合，但对于每个演员的小动作如何影响整个舞台效果，却知之甚少。

在脊椎动物的胚胎发育中，身体轴伸长是一个重要的过程。从遗传和信号的角度来看，这个过程已经被研究得较为深入，但从组织力学的角度出发，仍有许多未解之谜。以斑马鱼为例，它的胚胎发育迅速，且胚胎透明，是研究胚胎发育的理想模型。斑马鱼的尾巴在发育过程中，通过一系列复杂的细胞运动和组织变化逐渐形成，这一过程涉及到多个组织的协同作用。之前的研究虽然已经揭示了一些参与尾巴形成和身体轴伸长的信号分子，但对于这些过程中组织力学的变化以及它们与遗传扰动之间的关系，还需要更深入的研究。

为了揭开这些谜团，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇题为 “Dissecting the role of posterior tissues in zebrafish body axis elongation through tissue fluidity analysis” 的论文。他们通过深入研究，发现了许多有趣的现象和重要的结论。研究表明，在斑马鱼身体轴伸长过程中，不同组织的物理状态和细胞运动存在着时空变化。而且，尽管一些基因突变会导致形态发生流和组织流动性发生改变，但轴伸长对这些变化具有一定的耐受性。这就好比一场演出，即使有些演员的表演方式发生了变化，整个演出仍然能够继续进行。此外，他们还发现背部组织在为腹部组织提供物质和延长身体轴方面起着关键作用。这些结论为我们理解胚胎发育过程中组织力学的调控机制提供了新的视角，对于深入了解生命的奥秘具有重要意义。

为了开展这项研究，研究人员运用了多个关键技术方法。他们使用 3D 共聚焦时间序列显微镜记录斑马鱼胚胎尾芽中细胞核的运动轨迹，从而追踪细胞的运动。同时，开发了一款名为 “Cell Movement Analyzer（CMA）” 的定制软件，通过分析细胞轨迹来计算多种量化指标，以此来表征细胞运动和组织的物理状态。另外，他们还定义了流体指数（Fluidity Index，FI）来评估组织的流动性，通过这些方法全面地研究了组织的各种特性。

下面让我们一起来看看具体的研究结果：

1. 细胞运动和组织流在身体轴伸长过程中的变化：研究人员首先对野生型斑马鱼胚胎从 10 体节期（SS）到 12 - 14SS 的后组织中的细胞运动和形态发生流进行了研究。在这个阶段，神经中胚层祖细胞会进入中胚层祖细胞区（MPZ），随后中胚层祖细胞会从 MPZ 移动到体节前中胚层（PSM）。研究人员利用 3D 共聚焦时间序列显微镜记录了整个尾芽中细胞核 2 小时的运动，并使用 CMA 软件进行分析。结果发现，aPSM 中的细胞被周围细胞限制，呈现出固态特征；MPZ 中的细胞则能够自由移动，表现出液态行为；pPSM 在较长时间尺度上有一定的流动性；背部组织的细胞在 1 小时内被限制，但之后也有少量的解笼现象，显示出一定的流动性。同时，背部组织的细胞运动比腹部组织更协调，且速度更快。通过定义流体指数（FI），他们还发现腹部组织在 MPZ 处 FI 值最高，向 PSM 过渡时变为固态；背部组织的 FI 值在前后轴上呈现非单调变化。此外，研究人员还观察到腹部组织和背部组织的形态发生流存在差异，并且不同组织之间的物理相互作用会影响形态发生流。
2. tbx16 突变体后 MPZ 组织的流动性显著降低：tbx16 突变体的特点是 PSM 发育异常，MPZ 增大。研究人员发现，尽管 tbx16 突变体的 PSM 减小，但尾芽围绕卵黄的后伸长速度并未受到影响。然而，tbx16 突变体 MPZ 的 MSRD 显著降低，表明该区域组织的流动性比野生型胚胎大大降低，直接测量组织力学也证实了这一点。通过分析 FI 图，他们发现 tbx16 突变体后组织的流动性虽然在形态上表现出后突的特征，但实际流动性却大大降低。此外，tbx16 突变体的速度场发生了改变，腹部组织的拓扑缺陷消失，只有后向速度；背部组织的速度场方向与野生型相似，但细胞运动速度略有降低。这些结果表明，tbx16 突变体中中胚层祖细胞难以离开 MPZ 进入 PSM，是由于后组织流动性的降低，导致细胞被困在 MPZ 中积累，从而产生了特征性的 “spadetail” 表型。
3. tbx16 突变体后组织流动性丧失的原因：研究人员进一步探究了 tbx16 突变体 MPZ 组织流动性降低的原因。他们发现，tbx16 突变体 MPZ 中细胞密度与野生型没有差异，但细胞间接触长度波动的幅度减小，尤其是那些可能导致 T1 转换和组织液化的大波动减少。同时，tbx16 突变体 MPZ 的细胞外空间体积分数显著降低。分析 Cdh2（N - cadherin）水平发现，tbx16 突变体 L - MPZ 中的 Cdh2 水平明显高于野生型，这与细胞外空间减少的现象一致。这些结果表明，tbx16 突变体 MPZ 流动性的降低是由于细胞间大的连接波动和细胞外空间的减少，至少部分是由 Cdh2 水平的增加引起的，这也突出了 Tbx16 转录因子在调节尾芽内细胞粘附方面的作用。
4. 脊索缺失对组织流和轴伸长的影响：由于野生型胚胎中脊索和 PSM 组织之间存在剪切力，且有研究表明脊索可能为轴向伸长提供驱动力，研究人员分析了 noto 突变体（该突变体不形成脊索）的组织流动性和形态发生流的空间变化。结果发现，noto 突变体在 10SS 时没有明显的形态异常，后伸长速度与野生型相同。通过追踪组织变形，他们发现 noto 突变体中背部组织相对于腹部组织的后向运动与野生型相似，但野生型中形态发生流的拓扑缺陷（如反向旋转的涡旋和双曲线流）在 noto 突变体中消失，取而代之的是主要为后向的速度流。尽管 noto 突变体的后轴末端流体组织区域大小与野生型相似，但形态发生流却发生了重大变化。这表明脊索在这个发育阶段不是身体轴伸长的必要部分。
5. 背部后向细胞流对轴伸长速率的控制：研究人员还研究了 vangl2 突变体的组织流，该突变体在原肠胚形成过程中存在会聚延伸缺陷。结果发现，vangl2 突变体的胚胎在 10SS 时身体轴缩短且扁平，背部组织变薄，后伸长速度比野生型降低了一半以上。分析发现，vangl2 突变体背部组织的平均归一化速度降低，背部组织相对于腹部组织没有后向运动，PSM 中的剪切力也大大降低。而腹部组织的形态发生流与野生型相似，只是背部组织的细胞向中线移动，后向运动减少。此外，vangl2 突变体的 FI 模式与野生型相似，只是后流体组织区域的形状和大小发生了变化，但组织流动性的空间分布与野生型一致。这表明背部后向细胞运动对于身体轴的伸长至关重要，因为它为延长背部和腹部组织提供了必要的细胞供应，同时也说明腹部组织的形态发生流和组织流动性能够适应组织形状和大小的变化。

综合以上研究，研究人员得出结论：在斑马鱼胚胎尾巴翻转之前，后伸长对形态发生流的强烈扰动具有很强的耐受性，即使在腹部组织缺失的情况下也能进行。不同组织在这个过程中扮演着不同的角色，tbx16 突变体中 MPZ 组织的流动性变化影响了细胞的运动和 PSM 的形成；noto 突变体中脊索的缺失虽然改变了组织流，但对轴伸长的影响较小；vangl2 突变体中背部组织的缺陷则显著影响了轴伸长的速度。这些发现为理解胚胎发育过程中组织力学的调控机制提供了重要线索，有助于我们进一步揭示生命发育的奥秘。就像为我们打开了一扇通往胚胎发育微观世界的窗户，让我们看到了细胞和组织之间那些微妙而又神奇的变化，对于未来研究胚胎发育异常相关的疾病以及再生医学等领域都有着重要的指导意义。