张力诱导形态转变塑造禽类胚胎外组织的研究进展

本文通过研究禽类胚胎外胚层扩展过程，揭示了胚胎外组织发育的力学基础。

　　### 禽类胚胎外胚层扩展研究背景
在脊椎动物的进化历程中，胚胎外（EE）组织的出现是一项重大变革。它使脊椎动物能够脱离水生环境进行发育，是羊膜动物成功在陆地繁衍的关键因素之一。在禽类中，EE 组织在卵沉积阶段便已初见端倪，此时的胚盘由中央透明的上皮盘（即明区，area pellucida）和周围不透明的细胞环（即暗区，area opaca）组成，明区细胞将发育成胚胎本体（EP），暗区细胞则会形成 EE 卵黄囊。

随着胚胎发育的推进，孵化开始后，原肠胚形成启动。在 EP 和 EE 区域交界处，由超细胞肌动球蛋白电缆组成的拉伸环收缩，将胚胎后缘最初的新月形区域转变为原条。在此过程中，胚盘不断扩展，直至完全包裹整个卵黄，这一过程被称为外包（epiboly）。外包现象在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和卵生哺乳动物中普遍存在，但不同物种的外包机制却存在差异。例如，鱼类的外包主要由卵黄合胞体层中的收缩性肌动球蛋白带驱动，而禽类的外包过程则依赖于胚盘边缘细胞与卵黄膜内表面的附着和迁移。

尽管此前对禽类外包过程有所研究，但仍存在诸多未解之谜。例如，细胞增殖、细胞重排和拉伸对外胚层扩展的具体贡献尚不明确，外包诱导的张力在胚胎和 EE 区域的传递机制也不清楚。此外，以往对禽类外包的研究多采用静态、细胞和分子方法，缺乏动态成像和定量分析。因此，深入探究禽类外包过程中 EE 和胚胎区域的形态发生机制具有重要意义。

组织水平的外包动力学及 EE 扩展特征

为了深入了解外包过程的动态变化，研究人员采用了体外（ex ovo）EC 培养技术，对 Eyal - Giladi 和 Kochav（EGK）阶段 XI 的转基因膜绿色荧光蛋白（memGFP）鹌鹑胚胎进行实时成像。每隔 6 分钟采集一次图像，持续约 12 小时，并通过自动分割胚盘轮廓来量化胚盘边缘的速度。研究发现，在 4 小时内，胚盘边缘速度逐渐增加，最终达到约 115±4μm/h 的稳定水平。通过对胚胎在体内（in ovo）和体外培养条件下的外包动态进行对比，发现二者非常相似，进一步验证了体外培养系统的可靠性。

在分析胚胎不同区域的变形时，研究人员利用粒子图像测速技术（PIV）追踪组织运动，并将组织流动分解为发散（区域面积变化）和旋转（不可压缩剪切）分量。研究结果表明，胚盘的扩展主要源于 EE 区域的面积增加，而 EP 区域的面积在 12 小时内基本保持不变。对 EE 区域的局部面积扩展率进行分解发现，其增长主要由径向扩展驱动，且在约 5 小时时达到稳定状态，而正交径向扩展的贡献相对较小。空间映射显示，径向应变率在 EE 区域呈现径向对称的环形模式，在区域中部达到峰值；正交径向应变率也呈现出径向对称模式，但在原条区域，由于细胞内陷导致面积损失，该区域的正交径向应变率有所不同。这些量化结果表明，EP 和 EE 区域的变形方式存在显著差异，暗示 EP 可能受到某种机制的保护，免受外包的影响。

EE 扩展的细胞基础

细胞如何适应胚盘边缘的快速迁移是理解 EE 扩展的关键问题之一。通过对 memGFP 胚胎进行高分辨率实时成像，研究人员发现细胞面积扩展是组织面积扩展的主要贡献因素，且在空间和时间上与组织流动的变化模式相似，在 EE 区域中部达到峰值。在 8 小时的观察期内，组织面积增加了约 4 倍，而细胞面积平均增加了 2 倍。

为了进一步探究细胞分裂在 EE 扩展中的作用，研究人员进行了一系列实验。他们手动追踪了部分细胞及其后代的分裂过程，发现细胞分裂虽然会导致细胞面积暂时减小，但子细胞在分裂后仍保持较大的面积，并以与分裂前相似的速率继续增大。通过对表达 H2B - GFP 报告基因的转基因胚胎进行成像，自动分割细胞核并追踪其运动，研究人员计算出细胞的倍增时间约为 6.8±0.9 小时，这与之前报道的鸡胚盘细胞周期长度相符。此外，研究人员还通过实验抑制胚盘边缘的迁移和细胞分裂，结果表明，细胞扁平化和面积扩展依赖于胚盘边缘的迁移，而细胞分裂本身并不能驱动 EE 扩展，在早期阶段，细胞分裂对 EE 扩展并非必需。在缺乏细胞分裂的情况下，细胞面积扩展会增加以补偿细胞数量的不足，从而维持 EE 的正常生长。

EE 组织扩展的力学机制

鉴于胚盘扩展由胚盘边缘迁移驱动，研究人员推测细胞面积增加可能是由于张力诱导的拉伸所致。为了验证这一假设，他们在 EP 和 EE 区域进行了组织水平的圆形激光消融实验。通过测量消融后组织的应变松弛情况，发现 EE 区域的面积松弛明显大于 EP 区域，这表明 EE 区域处于更高的张力状态。而且，消融后 EE 区域的面积收缩与消融前的面积扩展非常接近，说明外包诱导的张力使 EE 组织发生了可逆的拉伸，类似于弹性材料的响应。

通过高分辨率双光子成像技术，研究人员对 EE 细胞在不同发育阶段的三维形状进行了量化分析。结果显示，在 EE 区域，最初呈柱状的上皮细胞在经历外包过程后会发生上皮变薄，转变为扁平的鳞状形态；而在 EP 区域，细胞则保持柱状形态。进一步的量化分析表明，在整个外包诱导的变形和激光诱导的松弛过程中，EE 细胞的体积基本保持不变，但细胞的高度和纵横比在 EP 区域保持恒定，在 EE 区域则随着外包的进行而减小，在激光消融后又恢复到初始值。这些数据表明，EE 区域的柱状细胞在张力作用下可逆地拉伸为鳞状上皮状态，这种可逆的形态转变可以看作是一种 “有效弹性” 响应，且这种响应仅在 EE 区域发生，与外包诱导的张力局限于 EE 区域的结论一致。

简单粘弹性模型解释胚胎发育过程

研究人员发现，外包诱导的张力在 EE 区域引发了可逆的、有效的弹性响应，而 EP 区域则基本不受影响。为了解释这种现象，他们提出了一种简单的二维粘弹性模型。在该模型中，组织在各向同性张力下可逆地拉伸，在各向异性（剪切）应力下不可逆地流动，同时考虑了边缘主动拉伸应力和边界均匀向外迁移的因素。

基于这个模型，组织区域的形状变化（与粘性剪切流相关）应该是永久性的，而面积变化（与弹性膨胀或收缩相关）应该是可逆的，这与组织的胚胎起源（EP 或 EE）无关。为了验证这一模型，研究人员利用 mEos2 光转化转基因鹌鹑品系，对胚盘中不同区域进行光转化，并追踪其变形和松弛过程。实验结果与模型预测相符，EP 区域的区域几乎没有面积扩展和松弛，而 EE 区域的区域则有明显的拉伸和恢复。此外，模型还能够解释在去除边缘张力后，EP 区域的扩展现象，进一步证实了拉伸边缘能够保护 EP 免受外包诱导张力的影响。

研究总结与展望

本研究对禽类外包过程中的胚盘扩展进行了深入分析，在组织水平上，发现扩展主要局限于 EE 区域；在细胞层面，明确了顶端面积扩展是 EE 生长的关键因素，而细胞分裂在早期并非必需。研究还揭示了 EE 细胞对组织张力的响应机制，即通过可逆地改变纵横比来适应张力，同时保持体积不变。此外，研究人员提出的粘弹性模型能够很好地解释胚胎和 EE 区域的不同力学行为，表明力学应力的多维性质可以控制同一发育场中的不同过程。

然而，本研究仍存在一些局限性。例如，虽然发现力学在胚胎发育中起着重要作用，但对于力学信号如何影响基因表达以及如何精确调控 EP/EE 边界的形成，仍有待进一步研究。未来的研究可以朝着这些方向展开，深入探索力学与基因表达之间的关系，以及它们在胚胎发育过程中的协同作用机制，这将有助于更全面地理解胚胎发育的奥秘，为生命科学领域的发展提供更深入的理论支持。