胚胎发育过程中哪些细胞结构控制眼睛和大脑？

　　

生物物理学家Otger Campàs和他的研究小组在加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)和德累斯顿工业大学(TU Dresden)生命卓越物理集群的研究中发现，在胚胎发育过程中，细胞核控制着眼睛和脑组织的结构和力学。这些结果增加了细胞核在组织组织中的新作用，远远超出了其在遗传调控中的既定作用。

“我们正在测量斑马鱼视网膜的组织硬度，并意识到它取决于细胞核的包装。这是完全出乎意料的，因为组织力学被认为取决于细胞表面的相互作用，而不是细胞内的细胞器，”Campàs说，他现在是德累斯顿工业大学生命卓越物理集群的教授和组织动力学主席，他也担任总经理。这项发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上的研究，为理解细胞如何协调胚胎发育提供了一条尚未探索的途径。

隐藏的建筑师

在每个细胞内，被称为细胞器的个体结构执行关键功能，但这些细胞器如何促进组织和器官的形成尚不清楚。就像工厂或城市的道路一样，无数的细胞器在细胞内执行任务，使细胞正常运作。由于细胞器被限制在细胞内，人们不认为它们在胚胎发生过程中对器官的形成起直接作用。直到现在。

细胞核是细胞中处理信息的细胞器，基因的开启和关闭取决于接收到的信号。然而，细胞核也是细胞中最大和最坚硬的细胞器，除了处理信息外，还可以影响组织的物理结构。着迷于细胞核如何在组织形成中发挥作用，Campàs决定研究细胞核在器官形成中的作用。

他的团队之前的开创性工作发现，细胞群在发育过程中就像泡沫一样，要么被卡住，“冻结”组织结构并固定其形状，要么被“融化”，让组织流动并塑造它们。共同主要作者Sangwoo Kim说:“通过扩展活性泡沫模型，我们确定了一种由相对核和细胞大小控制的固体到流体转变的新模式。”当作者将细胞核的大小与眼睛和脑组织细胞的大小进行实验和理论对比时，他们发现，如果细胞核占据了大部分细胞空间，那么组织的硬度就直接由细胞核控制。此外，他们还发现，当细胞核密集排列时，它们会使细胞排列成近乎结晶的阵列。

Campàs说:“当细胞核开始机械地相互作用时，组织力学和细胞顺序都不是由细胞表面决定的，而是由细胞核本身控制的。这是一个决定整个组织硬度的细胞器。”

他们的研究挑战了现状，揭示了细胞核在组织组织和力学控制中的新作用。

为了探索细胞核的大小如何影响器官的形成，研究人员使用了斑马鱼。这些脊椎动物是探索发育问题的宝贵模型，因为它们在胚胎阶段是完全透明的，并且迅速成熟，可以在3D中可视化器官形成。

“因此，我们进行了结构测量和细胞运动量化，重点关注斑马鱼发育中的视网膜和大脑，”共同主要作者Rana Amini说。

通过这些测量，作者证明了在发育的关键阶段，细胞和细胞核大小的变化“卡住”了细胞核，因为它们被它们的邻居紧紧包围着。在这种转变过程中，细胞核整齐地排列在一起，就像罐子里的咖啡豆一样，这种组织对眼睛的功能可能很重要。在我们的眼中，细胞的排列似乎很有结构，通常显示出非常规则的“晶体”顺序，这是处理视觉线索所必需的。在斑马鱼身上也没有什么不同，细胞的结晶顺序似乎是眼睛发育过程中细胞核干扰的结果。

除了眼睛之外，研究小组还发现脑组织变得核堵塞，揭示了核控制几种神经组织结构的新作用。这项工作还强调了核水平缺陷引起与受损组织结构相关的疾病的潜在作用。这一谜题的新发现使我们更接近于理解细胞在胚胎发育过程中是如何构建器官的。