揭示胚胎發育過程中組織水平下的調控機制

　　在胚胎發育過程中，其會產生正確的3D體型（稱之為形態發生過程），同時還需要進行組織重塑，細胞片會折疊并改變其幾何形狀，其經歷的變化相當于折紙的復雜性；在早期胚胎中，形成肌肉組織（中胚層）和腸道組織（內胚層）的細胞會向內運動，外層的細胞會形成皮膚組織，日前，一項刊登在國際雜志Nature上的研究報告中，研究者Bailles等人報道了細胞內化的新型分子機制，其正如研究人員對黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）研究所得到的結果。

　　如今研究人員對黑腹果蠅中胚層內化的研究已經建立了細胞特性與細胞發育期間所發生的物理變化之間的分子關聯，蛋白質Twist能夠調節基因表達從而賦予肌肉的身份，而表達該蛋白的細胞則在保持與鄰近細胞接觸的同時，收縮其外表面（頂端），這種頂端收縮所引發的組織屈曲會驅動細胞的內化作用，因此，內化在中胚層中是固定的，但其也會產生一定的驅動力，從而影響附近非中胚層的細胞。中胚層的內化與其它細胞內化在發育過程中是否相同呢？尤其是當許多形態發生事件同時發生時，為此研究人員Bailles及其同事回答了這一問題。

　　內胚層細胞會內化形成整個內胚層組織（約15行細胞的圓形斑塊），從而向早期胚胎的頭部區域移動，利用活細胞成像顯微鏡技術及數學模型所支持的實驗性手段，研究者發現，內胚層中有兩個不同的區域，其內化機制是并不相同的。研究者稱之為原基區域的內胚層部分是第一個發生內化的，其就像中胚層內化一樣，這是通過一個直接被基因表達所調節的過程來發生的。蛋白質Fog的表達會導致細胞頂端區域非肌球蛋白（MyoII）和RhoI蛋白水平增加，從而通過重構細胞骨架來引起細胞頂端發生收縮，研究者觀察到，局部的Fog活性會導致原基區域所有細胞同時收縮和內化。

圖片來源：Bailles et al.

　　在內胚層的另一部分—傳播區（propagation region），內化則是逐步發生的，其會一次形成一排細胞；研究者意外地發現，如果轉錄被抑制或Fog蛋白的局部來源丟失的話，當原基區域開始收縮時，傳播區的內化仍然會發生，將傳播區的內化速率與Fog擴散的最大估計速率對比后，就能夠幫助研究者排除Fog擴散作為解釋如何控制內化過程了。

　　隨后研究者分析了是否機械影響會發揮作用，他們利用物理方法來阻礙組織運動，利用基因方法來改變胚胎幾何形態或利用藥物來抑制MyoII，研究結果表明，傳播區的內化是通過一種機械正反饋系統來進行的，外部物理壓力所引發的輕度細胞變形會通過經歷內化的鄰居細胞來傳遞，其會誘發非內化細胞的頂端區域中MyoII的積累，這種積累會驅動細胞性狀的改變，進而增加機體壓力，并促進MyoII積累，直至細胞收縮達到引起細胞內化的水平，鄰近細胞之間的機械耦合會通過連接細胞的粘著連接蛋白復合體所介導，從而才能夠確保驅動力在整個組織中傳遞，進而推動傳播區逐漸發生內化。

　　如今研究人員在其它實驗系統中已經描述了胚胎發育的機械調節機制，然而，研究人員仍然很難證明是否作用在細胞上的機械力是發育過程中的原因或是結果，盡管研究人員很難評估體內的機械輸入，但他們對整個胚胎進行研究或許就能夠證明，機械力就是發育最直接的調節子。內胚層區域的細胞在內化發生前都具有內胚層身份的分子特征，盡管有這樣的相似性，為何這些區域會使用獨特的內化機制呢？這或許是因為，如果整個內胚層同時收縮的話，胚胎的幾何形狀就會受損，另一種可能性則是，這些區域之間機械敏感性的差異會為應對外部事件的力量提供緩沖。

　　機械調控在傳播區的內化過程中扮演著非常關鍵的角色，這或許能進一步闡明其在局部基因表達中的作用。研究人員分析了果蠅的卵黃膜是否會影響傳播區的內化作用，胚胎和卵黃膜之間的相互作用會提供一種機械力的來源；研究者表示，動態粘附在形態發生的不同狀況下發揮著至關重要的作用，而如今研究人員已經證實了整合素介導的卵黃膜粘附的具體分子機制。

　　未來研究人員還需要進行更為深入的研究來改善他們在分子和細胞水平下對形態發生分子機制的理解，這或許能幫助揭示機械調控和基因調控之間相互作用發生的機制，相關研究結果或許也能夠提供控制不同組織和物種中胚胎形態因素的完整畫面。