游走的细胞核如何塑造发育中的胚胎

乙在发育的早期，所有动物胚胎都会经历一个几乎相同的阶段，即形成胚盘，这是一个由几千个细胞组成的空心球。从那个空心球开始，细胞层开始折叠成将成为身体不同部位的形状。尽管胚盘阶段后细胞的行为和胚胎的模式已广为人知，但胚盘本身是如何形成的仍然是一个长期的谜团。

现在，马萨诸塞州哈佛大学的一组生物学家和应用数学家开发了一个框架，用于理解细胞核在胚胎发育的最早阶段移动和排列以形成胚盘的一般原则。在他们于7月6日发表在《自然通讯》(NatureCommunications)上的研究中，研究人员对胚盘如何在各种昆虫卵中形成进行了具体预测，并使用数学模型和发育中的蟋蟀(Gryllusbimaculatus)胚胎图像对其进行了验证。

因为对任何动物的胚盘形成知之甚少，“我认为最好的办法是采取最公正的观点，观察和记录实际行为，并询问出现了什么模式，”进化发育生物学家说CassandraExtavour与应用数学家ChrisRycroft共同领导了这项研究。

该团队使用多视图光片和共聚焦显微镜捕捉发育中胚胎的3D延时图像，发现蟋蟀胚胎中增殖的细胞核迅速移动以填充卵中的空隙。它们不会在卵中随机分裂和移动;相反，就好像每个核都能感知到附近其他核的存在，并做出相应的反应以避免彼此拥挤。

尽管他们专注于蟋蟀，但“我们想真正了解胚胎如何在一整类不同昆虫物种中形成的一般原则，”Rycroft说。

我认为最好的办法是尽可能采取最公正的观点，观察并记录实际行为，并询问出现了什么模式。

研究人员提出了两个假设来开展这项研究：原子核可能会推开附近的相邻原子核，并且每个原子核都会受到一种力，将其从其他原子核拉开并进入真空。他们用数学模型将这两个假设形式化，并对发育中的胚胎进行了计算机模拟。最终，后一种假设——细胞核以某种方式被拉入卵子剩余的空白空间——最符合他们的观察结果。

参见“自由落体：科学家如何研究不受约束的昆虫”

为了进一步测试该模型，研究人员将人类毛发绑在蟋蟀胚胎周围，在中间形成一个收缩。他们发现原子核通过收缩的速度很慢，但随后加速进入另一侧的开放空间——这一发现与他们模型的预测完全一致。

“对我来说，这是这项工作真正令人兴奋和重要的方面，”Extavour说。“生成一个概括生物学的模型本身并不能证明该模型正在捕获生物学中重要的参数。因此，找到至少一种方法来尝试伪造模型并测试其真实性真的很棒。”

那么原子核如何感知周围的空间呢?研究人员假设，附着在每个细胞核上的微管会自组装并向外生长，优先将细胞核拉向空旷的空间，因为它们可以在那个方向长得更长。

北卡罗来纳州杜克大学的发育生物学家StefanoDiTalia解释说，确保细胞核在胚盘中它们需要的位置为所有后续发育的正确发生奠定了基础，他没有参与这项研究。“更重要的是，许多与胚层形成有关的机制实际上是基本的细胞生物学和生物物理学问题，”例如细胞周期如何与细胞骨架产生的生化信号和机械力协调以定位事情正确，他说。

DiTalia说，微管将细胞核拉到位的能力是一个引人入胜的假说，可能是解释细胞在发育和形态发生过程中如何移动的更普遍的机制。“我认为在很多情况下，微管驱动的过程将控制细胞核或细胞器的定位，”他说，“而且我认为你可以真正了解其工作原理的生物物理学系统将会很有帮助。”