Science子刊：翅膀发育过程中组织形态变化机制

　　

生物学和生物物理学中仍然存在的一个关键问题是，在动物发育过程中，三维组织形状是如何出现的。来自德国德累斯顿马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所(MPI-CBG)、德累斯顿工业大学生命卓越集群物理学(PoL)和德累斯顿系统生物学中心(CSBD)的研究小组现在已经发现了一种机制，通过这种机制，组织可以被“编程”从平面状态转变为三维形状。为了实现这一目标，研究人员观察了果蝇和它的翅盘袋的发育过程，它从一个浅圆顶形状转变为一个弯曲的褶皱，后来成为一只成年蝇的翅膀。研究人员开发了一种方法来测量三维形状的变化，并分析细胞在此过程中的行为。利用基于形状编程的物理模型，他们发现细胞的运动和重排在组织形状中起着关键作用。这项发表在《Science Advances》杂志上的研究表明，形状编程方法可能是一种显示动物组织形成方式的常用方法。

上皮组织是紧密相连的细胞层，构成了许多器官的基本结构。为了创造功能器官，组织会在三维空间中改变形状。虽然已经探索了三维形状的一些机制，但它们还不足以解释动物组织形式的多样性。例如，在果蝇发育过程中，翅膀从单层细胞转变为双层细胞。翼盘袋如何经历这种形状变化从一个径向对称的圆顶到弯曲的折叠形状是未知的。

MPI-CBG和CSBD的研究组组长Carl Modes和研究组组长Natalie Dye想要找出这种形状变化是如何发生的。“为了解释这个过程，我们从“形状可编程”的无生命材料片中汲取灵感，例如薄水凝胶，当受到刺激时，它们可以通过内应力转变成三维形状，”Dye解释说，并继续说道:“这些材料可以通过控制的方式改变它们在片上的内部结构，以创建特定的三维形状。这个概念已经帮助我们理解了植物是如何生长的。然而，动物组织更有活力，细胞会改变形状、大小和位置。”

为了了解形状编程是否可以成为一种理解动物发育的机制，研究人员测量了果蝇翅盘进化过程中组织形状的变化和细胞行为，当圆顶形状转变为弯曲的折叠形状时。

Natalie Dye研究小组的博士后研究员Jana Fuhrmann说:“通过物理模型，我们证明了集体的、程序化的细胞行为足以产生在翼盘袋中看到的形状变化。这意味着不需要来自周围组织的外力，细胞重排是袋形状变化的主要驱动力。”为了证实重排细胞是袋外翻的主要原因，研究人员通过减少细胞运动来验证这一点，这反过来又会导致组织成形过程中的问题。

Abhijeet Krishna是Carl Modes研究小组的一名博士生，他解释说:“我们开发的形状可编程性的新模型与不同类型的细胞行为有关。这些模型包括均匀效应和方向依赖效应。虽然之前有形状可编程性的模型，但它们一次只关注一种效果。我们的模型结合了这两种效应，并将它们直接与细胞行为联系起来。”

Natalie Dye和Carl Modes总结道:“我们发现活跃的细胞行为所带来的内部压力是果蝇在进化过程中形成翅盘袋的原因。使用我们的新方法和源自形状可编程材料的理论框架，我们能够测量任何组织表面的细胞模式。这些工具帮助我们了解动物组织如何在三维空间中改变它们的形状和大小。总的来说，我们的工作表明，早期的机械信号有助于组织细胞的行为，这后来导致组织形状的变化。我们的工作阐明了可以更广泛地用于更好地理解其他组织形成过程的原理。”