一种塑造动物组织的新机制

生物学和生物物理学中仍然存在的一个关键问题是，三维组织形状在动物发育过程中是如何出现的。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物理学​​卓越集群(PoL)和德累斯顿系统生物学中心(CSBD)的研究团队现已发现一种机制，通过该机制可以“编程”组织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及其翅盘囊的发育过程，该囊从浅圆顶形状转变为弯曲的褶皱，后来成为成年果蝇的翅膀。研究人员开发了一种测量三维形状变化的方法，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新排列在组织成形过程中起着关键作用。

这项发表在《科学进展》上的研究表明，形状编程方法可能是展示动物组织如何形成的常用方法。

上皮组织是紧密连接的细胞层，构成许多器官的基本结构。为了形成功能性器官，组织会改变其三维形状。虽然已经探索了一些三维形状的机制，但它们不足以解释动物组织形态的多样性。

例如，在果蝇的发育过程中，翅盘外翻会将翅膀从单层细胞转变为双层细胞。翅盘囊如何从径向对称的圆顶变成弯曲的折叠形状尚不清楚。

MPI-CBG和CSBD的研究小组组长CarlModes以及PoL的研究小组组长(之前隶属于MPI-CBG)NatalieDye的研究小组想要找出这种形状变化是如何发生的。

戴伊解释道：“为了解释这一过程，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，它们在受到刺激时可以通过内部应力转变为三维形状。”

“这些材料可以以可控的方式改变整个薄片的内部结构，从而形成特定的三维形状。这一概念已经帮助我们了解植物的生长方式。然而，动物组织更具动态性，其细胞会改变形状、大小和位置。”

为了了解形状编程是否可以作为理解动物发育的一种机制，研究人员测量了果蝇翅盘外翻过程中组织形状的变化和细胞行为，此时圆顶形状转变为弯曲的折叠形状。

“利用物理模型，我们表明集体的、程序化的细胞行为足以产生翅盘囊中看到的形状变化。这意味着不需要来自周围组织的外力，细胞重排是囊形状变化的主要驱动力，”Dye研究小组的博士后研究员JanaFuhrmann说。

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进行了测试，而减少细胞运动反过来又导致组织成形过程出现问题。

研究期间，Modes小组的博士生AbhijeetKrishna解释说：“我们开发的形状可编程性新模型与不同类型的细胞行为有关。这些模型包括均匀和方向相关的效应。虽然以前也有形状可编程性模型，但它们每次只研究一种效应。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。”

Dye和Modes总结道：“我们发现，细胞活动行为带来的内部压力是果蝇翅盘在外翻过程中形成形状的原因。利用我们的新方法和从形状可编程材料中衍生的理论框架，我们能够测量任何组织表面的细胞模式。这些工具有助于我们了解动物组织如何在三维空间中改变其形状和大小。

“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，这会导致组织形状的变化。我们的工作阐明了可以更广泛地应用于更好地理解其他组织成形过程的原理。”

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