Nature发育生物学：形态发生中的物理学

来源：BioArt

在地球上，生命的形态千差万别，生物的发育过程也有着惊人的多样性。尽管如此，如果只关注生命的起始，几乎所有（异配生殖）动物的发育都源自同一个起点——受精卵。在胚胎发育的初期，不同生物间保持着极高的相似度，提示着所有生物在进化过程中都来自同一个起源。

在胚胎发育初期的形态发生阶段，由于胚胎中细胞数量及细胞的分化程度有限，发育过程更多体现在细胞分裂以及细胞形态和位置的变化上。而在不同生物间，这类过程的调控往往具有高度的相似性，其中一个典型的例子就是胚胎细胞结构的弯曲（Bending）与伸长（Elongation）。这一现象发生在许多生物的早期胚胎发育中，如脊椎动物原条（Primitive streak）的发生，果蝇胚带（Germ band）的伸展，以及本文介绍的研究目标——线虫体轴（Body axis）的伸长过程【1】。秀丽圆杆线虫（C. elegans）是经典的模式生物之一，因其体型精巧，通体透明，结构简单，许多在高等生物（如哺乳动物）中难以完成的研究得以在此模型上实现。早在1983年，线虫发育的细胞谱系（Cell lineage）便绘制完成，这使线虫成为首个发育过程中细胞分裂分化过程被完整追踪的多细胞模式生物，并因此成为发育生物学领域细胞水平研究的理想模型。 

和许多动物一样，线虫的早期胚胎发育会经历一个“球”状空腔结构的阶段（Lima-beanstage）。在这一结构形成之后，线虫胚胎将在其前后方向上逐渐沿轴向伸长成“筒”状，从而形成细长的线虫身体结构的雏形——这个过程被称作体轴伸长。在这一形态发生过程中，只有细胞的形状和位置发生了改变，而细胞数量和胚胎的整体大小都不发生变化（图1）。通过形态学观察和遗传学实验手段，人们了解到体轴伸长过程由胚胎表皮细胞与表皮内侧的肌肉细胞共同作用完成，表皮细胞在2-Fold发育阶段前的伸长中起主要作用，而肌肉则主导了后续阶段的伸长过程。在此基础上，细胞内肌动球蛋白（Actomyosin）的收缩功能对体轴伸长至关重要，然而胚胎如何将肌动球蛋白的收缩应力转化为细胞形态的转变却有待研究【2】。

图1线虫早期发育中的体轴伸长过程 

法国Paris-Seine生物学研究所的Michel Labouesse实验室长期从事线虫形态发生过程的研究。不同于传统的发育生物学研究，Labouesse实验室选择同物理学科研人员合作将生物学现象与物理学建模分析方法结合，对体轴伸长过程中细胞的受力情况与受力带来的细胞形态改变进行了分析。其相关研究成果先后发表在2017年Elife和2018年Physical Review Letters杂志上【3,4】， 

Labouesse实验室在2017年阐明了线虫胚胎2-Fold发育阶段前表皮细胞的应力变化对体轴伸长的作用。作者利用显微激光损伤（Laserablation）技术在线虫胚胎的接缝细胞（Seam cell）和腹背侧表皮（Dorsal/Ventral epidermis）细胞中分别对细胞肌动蛋白骨架进行精确切割，进而通过测量切口处损伤的大小考察细胞在不同方向上受到的应力。实验发现，两种细胞受到的应力均具有各向异性（Anisotropy），即在不同方向上受到的应力大小不同。从实验数据出发，作者结合两种细胞中肌动蛋白纤维分布和肌球蛋白活性的差异对两种细胞的受力分别进行了力学建模。借助这些模型，作者发现接缝细胞在体轴伸长过程中的形变源于其受到应力的各向异性，而腹背侧细胞的形变则更多的受到其内部肌动蛋白分布产生的细胞刚度（Stiffness）各向异性的影响【4】。 

2019年8月29日，Labouesse团队在Nature杂志上发表了题为Anactin-based viscoplastic lock ensures progressive body-axis elongation的文章，延续了以往的研究。

在该研究中，Labouesse实验室继续探索了胚胎肌肉收缩在体轴延长过程中的作用机制。线虫胚胎中，肌肉细胞分布于表皮之下，并通过半桥粒（Hemidesmosome）结构与表皮细胞相互锚定。2011年，Labouesse实验室发现半桥粒相关蛋白PAK-1是肌肉收缩诱导体轴伸长的必需蛋白，pak-1突变将导致胚胎体轴相对野生型显著缩短【5】。在此基础上，Labouesse实验室通过基于RNAi的筛选实验发现α-spectrin编码基因spc-1是pak-1的显著遗传增强子（Genetic enhancer）。作者发现，spc-1(-)pak-1(-)胚胎的体轴不但相对spc-1(-)或pak-1(-)胚胎更短，而且在2-Fold发育阶段肌肉开始收缩后其体轴反而出现了明显的收缩。 

基于α-spectrin蛋白的功能，作者猜测spc-1(-) pak-1(-)胚胎的体轴收缩可能源自其腹背侧表皮细胞肌动蛋白纤维的异常，并使用TIRF-SIM超分辨率显微镜观察了肌肉收缩时肌动蛋白纤维结构的变化。实验发现，在正常胚胎中肌肉收缩可以导致肌动蛋白纤维的弯折和断裂，而与此同时肌动蛋白纤维的长度会随体轴伸长而逐渐缩短。与此相反，在各种基因突变胚胎中肌动蛋白纤维的形态和分布出现了不同程度的异常，并且在受肌肉收缩影响的部位尤为严重，而肌肉收缩也不能缩短肌动蛋白纤维长度。

由此作者提出假设，肌肉收缩可以打断肌动蛋白纤维，而后者在受损后可以依靠SPC-1/PAK-1相关的分子机制完成重塑并在此过程中缩短。肌动蛋白纤维的断裂和重塑可以赋予细胞一定的塑性（Plasticity），即每次形变后不能完全恢复到形变前的形态，从而使表皮细胞在周期性肌肉收缩舒张过程中逐渐在前后方向上伸长（图2左）。由于表皮细胞在受力形变过程中具有粘塑性（Visco plasticity）物理特性，接下来作者使用描述粘塑性材料的Kelvin-Voigt模型预测了腹背侧表皮细胞在接缝细胞和肌肉的共同应力作用下产生形变的规律。结合由生物实验得到的参数，模型成功的预测了不同基因型胚胎在不同发育阶段的体轴伸长程度（图2右），从而验证了假设并为肌肉调节体轴伸长这一复杂的生物学过程提供了相对简洁的物理学描述。

图2线虫胚胎肌肉收缩影响体轴伸长的细胞粘塑性模型

综上所述，本文使用线虫胚胎模型发现了动物发育早期的形态发生过程中细胞产生形变的新机制。作者通过对胚胎结构和细胞形态的简化，将细胞的粘塑性物理分析模型【6】扩展和应用到了生物个体发育活动的分析中。与此同时，文章也阐释了一个基于肌动蛋白结构的粘塑性改变机制，并发现细胞粘塑性的改变可以源自不同类型细胞间的相互作用。 

另外，作者在涉及物理建模的文章中都对使用的物理学模型贴心地做了通俗的描述：表皮细胞的应力作用模型类似于中世纪的紧身衣【4】，而本文提到的粘塑性模型可以类比一个弹簧和一个阻尼器的结合体。习惯于定性比较和统计学分析的生命科学研究者也许更乐见这样的深入浅出，但不可否认，对生命本质的探求不可能一直浅尝辄止。我们期待着跨学科的交流能够更加频繁，期待本文介绍的工作能够更进一步。 

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1509-4

参考文献

1. Gilmour, D., Rembold, M., and Leptin,M. (2017). From morphogen to morphogenesis and back. Nature 541, 311-320.

2. Vuong-Brender, T.T., Yang, X., andLabouesse, M. (2016). C. elegans Embryonic Morphogenesis. Curr Top Dev Biol 116, 597-616.

3. Ben Amar, M., Qiuyang-Qu, P.,Vuong-Brender, T.T.K., and Labouesse, M. (2018). Assessing the Contribution ofActive and Passive Stresses in C-elegans Elongation. Phys Rev Lett 121, 268102.

4. Vuong-Brender, T.T., Ben Amar, M., Pontabry,J., and Labouesse, M. (2017). The interplay of stiffness and force anisotropiesdrives embryo elongation. Elife 6,e23866.

5. Zhang, H., Landmann, F., Zahreddine,H., Rodriguez, D., Koch, M., and Labouesse, M. (2011). A tension-inducedmechanotransduction pathway promotes epithelial morphogenesis. Nature 471, 99-103.

6. Bonakdar, N., Gerum, R., Kuhn, M.,Spörrer, M., Lippert, A., Schneider, W., Aifantis, K.E., and Fabry, B. (2016).Mechanical plasticity of cells. Nat Mater 15, 1090-1094.