核位置控制皮层肌动球蛋白网络的活动，为同时发生的形态发生事件提供动力

胚胎原肠形成涉及多个同时发生的形态发生转变，这些转变必须协调一致。在这里，作者表明核迁移作为细胞骨架的时空调节剂来驱动复杂的组织重塑。

　　

细胞核位置在组织形态发生中的关键调控作用 —— 果蝇胚胎中中胚层形态变化的研究新进展

法国蔚蓝海岸大学（Université C?te d’Azur）的 Nicolas Roby 和 Matteo Rauzi 在《Nature Communications》杂志上发表了题为 “Nuclear position controls the activity of cortical actomyosin networks powering simultaneous morphogenetic events” 的论文。该研究揭示了细胞核位置对中胚层细胞中皮质肌动球蛋白网络活性的调控机制，这对于理解胚胎发育过程中组织形态发生的复杂过程具有重要意义，为深入探究细胞行为和组织重塑的分子机制提供了关键线索。

一、研究背景

在胚胎发育过程中，上皮组织的形态发生是塑造功能性生物体的关键步骤。上皮组织通过细胞重塑实现形态变化，这一过程依赖于上皮细胞产生机械力、改变形状和位置并维持细胞间接触的能力，而细胞骨架的有序重塑则在其中起着核心作用。

复合形态发生是上皮组织形态发生中的一个突出例子，指上皮组织同时经历多种形状转变的过程，如在胚胎原肠胚形成、神经胚形成或管状形成过程中，上皮组织可同时进行折叠和延伸。尽管对于单一形态发生过程的机制已有深入研究，但复合形态发生如何被精确指导和协调，在很大程度上仍是未知领域。

以果蝇胚胎原肠胚形成过程中中胚层的发育为例，中胚层上皮细胞会形成由肌动球蛋白网络连接到 E - cadherin 的两个连接层，分别介导细胞顶端收缩（用于组织褶皱形成）和细胞间插入（用于组织汇聚延伸）。然而，关于这两个功能不同的细胞骨架网络如何在时空上协同形成，以及细胞内细胞器的位置和形状变化在组织重塑中所起的作用，尤其是细胞核位置在其中的具体机制，尚未得到充分阐释。

二、研究材料与方法

（一）果蝇品系与遗传学操作

研究使用了多种果蝇品系，如用于活细胞成像的 Membrane - GFP、myosin - mCherry 等品系。通过特定的 Gal4 驱动子来调控相关基因的表达，如利用 (67C) matαTub - Gal4VP16 驱动子驱动 UASp EB1::GFP 等基因的母源表达。同时，通过杂交获得 T48 突变体胚胎，用于研究 T48 蛋白在中胚层发育中的功能。

（二）胚胎制备与样本 mounting

在实验前，将选定基因型的果蝇雌雄个体置于特定温度环境中饲养，使其产卵。收集新鲜产下的胚胎，用 50% 漂白溶液短暂处理去除卵壳，然后用蒸馏水彻底冲洗并转移到琼脂上进行 mounting。对于不同的显微镜成像技术，样本的 mounting 方式有所不同，如共聚焦显微镜成像时，将胚胎小心地置于 MatTek 培养皿中；光片显微镜成像时，将胚胎安装在填充有 0.5% Gelrite 溶液的玻璃毛细管中。

（三）显微镜成像技术

采用了多种显微镜成像技术来观察胚胎发育过程。使用 Zeiss LSM 880 AiryScan 共聚焦显微镜进行高分辨率的亚细胞结构成像，利用 Zeiss LSM 780 共聚焦显微镜进行激光切割、光遗传学实验和活体注射实验。同时，运用 Nikon TI2 - Eclipse 旋转盘显微镜进行快速 Z - stack 成像，以及 Luxendo MuviSPIM 选择性平面照明显微镜进行果蝇胚胎的全胚胎 4D 成像，以获取不同视角和分辨率的图像数据。

（四）实验操作技术

利用飞秒脉冲红外激光（IR fs）与 Zeiss LSM 780 NLO 共聚焦显微镜集成，对顶端肌动球蛋白网络进行激光切割，以研究其对细胞顶端收缩和细胞核定位的影响。通过光遗传学技术，在 Zeiss 780 LSM 共聚焦显微镜上进行 Cry2 光遗传学实验，异位招募 RhoGEF2，观察其对肌动球蛋白组装的影响。此外，还进行了果蝇胚胎的显微注射实验，如注射 Y - 27632 抑制 MyoII 活性、注射 Colcemid 使微管解聚、注射荧光珠观察细胞质流动等。同时，对果蝇胚胎进行离心处理，以改变细胞核的位置，探究其对中胚层发育的影响。

（五）数据分析方法

运用 GraphPad Prism 7 和 R 软件进行统计分析，计算数据的均值、标准差等描述性统计量，并通过 Shapiro - Wilk 检验数据的正态性，根据不同实验选择合适的统计检验方法，以 p < 0.05 作为具有统计学意义的阈值。利用多种软件对图像进行分析和量化，如使用 ASTEC 和 IMARIS 软件进行细胞和细胞核的分割，通过自定义 Python 脚本和 R 软件对分割后的数据进行排序和分析，测量细胞面积、细胞核位置、MyoII 强度等多种参数。

三、研究结果

（一）MyoII 沿细胞侧皮质的上调跟随细胞核迁移

在原肠胚形成的初始阶段，MyoII 在中胚层细胞的顶端和侧面积累，形成两层肌动球蛋白支架，分别为顶端收缩和细胞间插入提供收缩力。通过对 MyoII 动力学和中胚层组织中细胞过程的监测，研究人员发现细胞核迁移与顶端 MyoII 的增加同步，而细胞核位移速率的峰值比侧面 MyoII 积累速率的峰值早约 2 分钟。通过光遗传学实验抑制细胞核向基底位移，结果发现侧面 MyoII - LCs 的形成受到抑制，这表明细胞核迁移是侧面 MyoII 上调的必要条件。此外，研究还发现细胞核的位置与细胞顶端表面积紧密相关，且通过激光切割顶端肌动球蛋白网络的实验表明，顶端肌动球蛋白网络本身并非维持 MyoII - LCs 所必需。

（二）细胞核迁移控制侧面 MyoII 上调

为了进一步验证细胞核迁移与 MyoII - LC 形成之间的因果关系，研究人员通过红外飞秒激光消融顶端肌动球蛋白网络，抑制顶端收缩和细胞核迁移。结果显示，在细胞核未能向基底位移的区域，MyoII - LCs 的形成受到抑制；而在邻近的对照区域，由于相邻细胞张力释放，细胞顶端表面积迅速缩小，顶端收缩增强，细胞核向基底移动更明显，MyoII - LCs 的形成得以保留甚至增强。此外，通过激光消融使细胞顶端表面扩张，逆转细胞质流动，可使细胞核迁移方向反转，同时侧面 MyoII 下调，这表明 MyoII - LC 的形成是一个可逆过程，且细胞核向基底迁移是 MyoII - LC 形成的必要条件。

（三）细胞核位置定义肌动球蛋白聚结区和 MyoII 侧面簇的位置

研究人员考虑了四种可能的模型来解释细胞核迁移与侧面 MyoII 上调之间的关系，并对细胞核和 MyoII - LCs 的相对位置进行了详细的定量分析。结果表明，模型 3（MyoII - LC 位于细胞顶端与两个相邻细胞核平均位置的中间）具有最强的预测能力。通过实验调控细胞核位置，如消融顶端肌动球蛋白网络减少细胞核迁移或通过胚胎离心增强细胞核迁移，结果显示 MyoII - LCs 的形成位置始终遵循 “中间规则”。进一步研究发现，MyoII - LCs 的位置是由皮质肌动球蛋白网络在细胞核与细胞顶端之间的空间内各向同性收缩和聚结决定的，且细胞核的形状在 MyoII - LC 形成过程中没有明显变化。

（四）细胞核作为微管分隔器调节 RhoGEF2 的皮质分布

研究人员推测细胞核可能通过物理限制细胞质中 RhoGEF2 与皮质的接触来调节其在皮质的招募。通过双光子光遗传学实验发现，细胞核并非直接调节 RhoGEF2，但可能存在间接调节机制。由于 RhoGEF2 与微管（MT）正端通过 EB1 相关联，研究人员进一步研究了细胞核位置对 MT 分布的影响。结果发现，随着细胞核向基底迁移，EB1 在细胞侧面皮质的密度增加，且当抑制细胞核位移时，EB1 在侧面皮质的水平显著下降。通过构建计算机模型模拟 MT 动力学，发现 MT 正端主要在细胞顶端与细胞核之间的区域接触侧面皮质，且 MT 刚性和细胞核大小是影响 MT 正端与皮质接触的关键因素。此外，通过药物处理使 MT 解聚或敲低相关蛋白，研究发现 MT 和细胞核迁移都是 MyoII - LC 形成所必需的，但单独两者都不足以形成 MyoII - LCs。同时，研究还发现 MT 正端通过时空控制 RhoGEF2 的皮质招募，且跨膜蛋白 T48 对 MyoII - LCs 的形成至关重要。

四、研究结论与讨论

（一）研究结论

该研究表明，在果蝇胚胎原肠胚形成过程中，中胚层上皮细胞的细胞核重新定位是侧肌动球蛋白层定型形成的协调和触发机制。细胞核在细胞质流动的推动下向基底移动，引发 MT 网络结构的突然变化，使 RhoGEF2 被输送到侧面皮质，激活的皮质肌动球蛋白各向同性聚结形成侧层。细胞核作为微管分隔器，控制细胞皮质的可及性，使 MT 能够在侧面皮质重新分布并精确地输送 RhoGEF2，在 T48 的支持下形成 MyoII - LCs。

（二）讨论

复合形态发生在胚胎发育中至关重要，本研究对中胚层同时折叠和延伸机制的剖析，为理解复合形态发生的时空协调提供了重要依据。研究揭示了细胞核重新定位在组织形态发生中的关键作用，它不仅调节细胞骨架动力学，还参与建立细胞内不同的生化和机械微环境，促进不同的形态发生转变。

中胚层和外胚层在细胞间插入的调控上存在差异，中胚层主要依赖 RhoGEF2，而外胚层则由 RhoGEF2 和 DpRhoGEF11 共同控制，这种差异可能与两种组织中 RhoGEF2 的表达水平和功能需求有关。关于 RhoGEF2 在中胚层组织中的平面细胞极性（PCP），研究表明 MT 正端通过优先沿 DV 连接输送 RhoGEF2 来实现其 PCP 分布，但 MT 正端 PCP 的建立机制仍有待进一步研究。

此外，T48 蛋白在中胚层发育中的作用也值得深入探讨，虽然已知它对侧肌动球蛋白层的形成至关重要，但它在中胚层细胞不同皮质侧面的具体分布机制尚未明确。同时，Concertina 在两层肌动球蛋白支架建立中的作用也需要进一步研究。

本研究以果蝇胚胎中胚层形态发生为模型，为研究其他涉及组织同时折叠和延伸的过程（如神经胚形成）提供了重要参考，为深入理解胚胎发育过程中复杂组织转变的细胞机制开辟了新途径。