中国海洋大学海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室董波教授团队近期在发育生物学权威杂志《Development》发表文章，利用组织结构简单的海洋模式动物海鞘为模型，发现其胚胎尾部弯曲是遗传调控的主动过程，利用分子、细胞和遗传操作等途径进而揭示出脊索-表皮组织间协调不对称行为驱动这一弯曲过程的细胞学和生物力学机制，并建立了数学模型定量描述和评估各组织间的贡献。研究成果为深入理解组织弯曲这一广泛存在且进化保守的动物器官形态发生模式提供了新见解。
该文章被《Development》杂志评选为当期亮点文章，并被选为当期最令人兴奋的科学发现文章进行了作者专门采访和推荐报道。
图1：《Development》将该工作选为当期研究亮点，论文作者被期刊采访，讲述研究论文背后的故事
弯曲，作为形态发生的一种基本运动方式，广泛存在于胚胎发育过程中，从小尺度的组织内陷如神经管形成，到大尺度的胚层折叠及胚胎发生均涉及弯曲过程，但驱动弯曲的细胞学过程和生物机械力由何而来仍未充分揭示。胚胎弯曲，是在大多数无脊椎动物和脊椎动物当中保守的发育现象。此前，这一现象往往被理解为是由包被胚胎发育的绒毛膜狭窄空间的物理限制造成的。2020年12月，董波团队在《Development》杂志上正式发表题为“Ciona embryonic tail bending is driven by asymmetrical notochord contractility and coordinated by epithelial proliferation”的研究成果。作者通过去除绒毛膜并在不同发育时期定量描述其尾部弯角的方式，发现弯曲现象仍然存在，证实胚胎尾部弯曲本质是由遗传控制的主动过程，绒毛膜的物理限制只是胚胎尾部弯曲的次要因素。
图2：海鞘胚胎尾部的主动弯曲过程
在对这一弯曲过程的具体机制进行探究的过程中，作者发现，脊索组织存在背腹侧不对称的肌动球蛋白分布。肌动球蛋白，作为细胞内机械拉力产生的重要结构，富集在脊索组织腹侧，产生生物机械力驱动脊索细胞腹侧表面积收缩，并驱动脊索组织的弯曲。遗传学实验证明了脊索组织弯曲对于胚胎整体的弯曲是必要的。
图3：富集在脊索组织腹侧的肌动球蛋白束及其驱动细胞和组织弯曲示意图
此外，表皮组织背腹侧的不对称细胞分裂导致的组织长度不对称同样参与了胚胎整体的弯曲驱动。在尾部弯曲阶段，海鞘胚胎背侧的表皮分裂速度较腹侧快速。当背侧表皮细胞分裂受到抑制，尾部弯曲方向被逆转向背侧。
图4：背腹表皮不对称细胞分裂协调海鞘胚胎尾部弯曲
为验证这两方面机制的协作是否足够驱动尾部弯曲过程。作者使用原子力显微镜测定了尾部各组织的杨氏模量，定量描述各组织的形变能力，并建立数学模型模拟尾部弯曲过程。获得了与实际观察一致的模拟结果，证实了背腹不对称的脊索细胞形变和表皮细胞分裂是海鞘胚胎尾部弯曲的主要机械力来源并分别计算了两个组织的贡献程度。
图5：数学模型模拟结果及脊索和表皮组织协调行为共同驱动胚胎尾部弯曲示意图
以上研究成果解释了海鞘胚胎尾部弯曲的结构基础和生物力学机制，为深入理解形态发生中弯曲运动的成因提供了重要理论参考，并为胚胎弯曲这一进化保守发育事件的探索贡献新见解。
本项目是董波团队与清华大学冯西桥教授团队合作完成。冯教授团队负责物理模型的构建和模拟。中国海洋大学陆琼选博士和清华大学博士生高原为上述论文的共同第一作者，董波教授为该论文的通讯作者。董波团队其它成员参与了项目研究工作。以上工作受到青岛海洋科学与技术试点国家实验室、国家基金和国家重点研发项目等经费资助。
原文链接：https://dev.biologists.org/content/147/24/dev185868
研究亮点介绍链接：https://dev.biologists.org/content/147/24/e2404
作者采访链接：https://dev.biologists.org/content/147/24/dev199042
