Science：人体左右不对称的源动力——纤毛

由MGH研究人员领导的一项新研究现在揭示了组织者中的纤毛作为机械力的传感器，由水流施加，以塑造发育中的胚胎的左右身体平面。

　　

虽然人体在左右轴上是外部对称的，但大多数内脏器官的形状和位置都存在显著的左右不对称，包括心、肺、肝、胃和大脑。

左右不对称已知是在早期胚胎发生过程中由称为左右组织者的一小群细胞建立的。在这个组织者中，活动纤毛(细胞表面的毛发状结构)快速跳动，形成细胞外液向左流动的方向，这是左右差异的第一个向外标志。

这种早期的流动已被证明是区分左右的关键。然而，这种流动是如何被感知并转化为左右不对称的还不得而知。

由MGH研究人员领导的一项新研究现在揭示了组织者中的纤毛作为流动的创造者-它们也作为流动施加的生物力学力的传感器，以塑造发育中的胚胎的左右身体平面。

研究结果发表在《Science》杂志上。

麻省总医院心血管研究中心研究员、哈佛医学院医学助理教授、该研究的资深作者Shiaulou Yuan博士说:“众多研究小组近25年的研究表明，纤毛和组织者中的流动对于建立身体左右不对称是绝对必要的。但我们还没有正确的工具或技术来明确研究这一切是如何工作的。”

为了克服这一挑战，研究人员利用斑马鱼作为左右发育的模型，并使用了一种由定制的显微镜和机器学习分析组成的新型光学工具包。

他们的方法是独特的，因为他们创新性地使用了光镊——一种生物物理工具，利用光来保持和移动微观物体，类似于牵引光束——这是第一次能够精确地将机械力传递到一个完整的、活的动物的纤毛上。

利用这些工具，研究人员发现纤毛是细胞表面的机械传感器，对于发育中的身体和器官(如心脏)的左右不对称非常重要。

通过使用光镊对斑马鱼左右组织者的纤毛施加机械力，他们表明，组织者纤毛的一个子集感知并将流动力转化为钙信号，控制斑马鱼的左右发育。

左右不对称缺陷与许多人类疾病有关，包括异位综合征、原发性睫状体运动障碍和先天性心脏病。Yuan说:“从这项研究中收集到的知识不仅促进了我们对控制人体发育的基本细胞过程的理解，还可能为这些疾病的新型诊断开辟新的途径。此外，这项工作可能为针对纤毛信号和机械感应的靶向治疗铺平道路，以改善结果。”

Yuan和他的同事们继续研究控制纤毛力感知的分子机制。他们还继续开发新的策略来可视化和操纵纤毛信号，长期目标是开发治疗纤毛相关疾病的新工具。

“这些结果，以及使之成为可能的工具，为胚胎的发育模式提供了一扇新的窗口，也打开了潘多拉的盒子，”南加州大学生物学和生物工程教长教授Scott E. Fraser说，他是这项研究的合著者。“这提醒我们，关于纤毛信号和机械生物学如何影响发育和疾病，我们还有很多东西要学习。”

MGH和哈佛医学院的其他作者包括Lydia Djenoune, Mohammed Mahamdeh和Christopher Nguyen。其他作者包括南加州大学的Thai V. Truong，以及耶鲁大学的Martina Brueckner和Jonathon Howard。

Cilia function as calcium-mediated mechanosensors that instruct left-right asymmetry