eLife：利用实时成像技术观察细胞在眼睛发育过程中的移动

细胞在具有某种功能的组织中自组织成特定模式的能力是生命的一个普遍特征。果蝇的复眼是一种广为人知且备受研究的模式。研究人员现在发现，这种模式的形成涉及机械力，而不仅仅是细胞间传递的化学信号。研究人员利用第一种实时成像技术，观察到细胞在眼睛发育过程中移动到位；细胞并不像以前认为的那样是静止的。

　　

另一种众所周知且被研究的模式是果蝇的复眼。这只眼睛是由800簇感光细胞组成的高度图形化的六边形晶格。一团无定形的细胞是如何发展成这种精确而熟悉的模式的?

美国西北大学(Northwestern University)的研究人员发现，这种图案的形成涉及机械力，而不仅仅是细胞间传递的化学信号。利用这种首创的实时成像技术，研究人员看到细胞在眼睛发育时移动到相应的位置;细胞并不像以前认为的那样是静态的。这个主要发现提供了应该扩展到其他模式系统的原则。

温伯格文理学院(Weinberg College of Arts and Sciences)的分子生物科学教授理查德·卡休(Richard Carthew)说:“你看到的每一个地方都有一个模式星座。”“但是没有艺术大师。在这项研究中，我们试图理解一种图案——一种美丽的图案——是如何在身体中形成的。令我们惊讶的是，我们发现细胞被按一定的规则推拉到某个位置，就像下棋一样。”

该研究结果将于22日发表在《eLife》上。

Carthew和麦考密克工程学院工程科学和应用数学助理教授Madhav Mani是这篇论文的共同通信作者。凯文·加拉格尔(Kevin Gallagher)是这篇论文的第一作者，他是分子生物科学的博士生，也是Carthew实验室的一员。“这项工作帮助我们更好地理解生命是如何构建自身的，”定量生物学家马尼说。“这个过程仍然很神秘。我们研究果蝇的眼睛，因为它是一个模型系统，并教给了我们很多东西。我们可以从生命中学习到许多惊人的工程原理。我们以开放的心态进行这项研究，并对自我组装学到了一些新的东西。”

“通过我们定制的工具，我们能够看到以前没有人见过的东西——眼睛发育的动态视图，”加拉赫说，他也是一名定量生物学家。“这些细胞正在移动的位置完全是一个惊喜。我们所看到的与历史范式不符。这很疯狂。”

这个多学科的团队使用了加拉格尔开发的尖端技术来实时成像，并分析眼睛自组装的动力学。研究人员发现，这种新型的机械动力学与遗传和生化分子相结合，协调了果蝇所完成的生物工程壮举。他们还证明，如果没有正确的机械力，眼睛就不能正确地自我组装。

除了活体成像(在活体成像中，苍蝇的眼睛在身体外保持存活)之外，这项研究的成功还依赖于Gallagher建造的用来识别和跟踪每一个细胞的计算工具。这使得研究人员能够看到每个细胞在10小时内的变化。在一个狭窄的区域内，称为图形的波前，有一个小的细胞级联，细胞被推，然后停止，并推动其他细胞到正确的位置，与熟悉的六边形格子出现。

Carthew是一名长期研究果蝇眼睛的实验生物学家，他说:“50年来，科学家们一直在尝试将发育中的眼睛形象化。”“只有通过实时观看电影，你才能理解发生了什么。凯文是第一个做到这一点的人。”

Carthew说，研究结果可以用于生物工程制造合成视觉传感器，还可以帮助科学家更好地理解自然界中图案是如何形成的。

“如果我们希望能够做到‘真正的’生物工程，就像我们用惰性物质进行工程一样，那么理解机械和化学原理之间的联系是必须的，”Mani说。

这项研究由美国国立卫生研究院(批准R35GM118144)、美国国家科学基金会(批准1764421)和西蒙斯基金会(批准597491)支持。

Journal Reference:

1. Kevin D Gallagher, Madhav Mani, Richard W Carthew. Emergence of a geometric pattern of cell fates from tissue-scale mechanics in the Drosophila eye. eLife, 2022; 11 DOI: 10.7554/eLife.72806