生物發(fā)育是一個(gè)混亂的事件。

發(fā)育中的細胞具有各種各樣的形態(tài)。它們有可能像烙餅那樣扁平，像立方體一樣呈等邊形，或是像軟管一樣細而長(cháng)。發(fā)育胚胎是由不同大小的卵子所生成，并且它們往往是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中生長(cháng)發(fā)育。由于有性生殖和隨機突變，它們具有各種各樣的遺傳標記。更奇怪的是，細胞內的遺傳回路已知是嘈雜且容易出錯的。然而，盡管一團混亂，大多數的動(dòng)物出生時(shí)都是完全正常的。

哈佛醫學(xué)院系統生物學(xué)副教授 Sean  Megason 說(shuō)：“鑒于這種噪音無(wú)法避免，那么發(fā)育是如何生成如此精確模式化和有組織的生物體的呢？我們認為通用的答案就是，盡管有著(zhù)不可避免的變化，在多個(gè)層次上有一些反饋系統監控了組織發(fā)育的進(jìn)展，一路調整方向以保持在正常的軌道上。

想象一下生物恒溫器，當天氣過(guò)熱時(shí)它會(huì )開(kāi)啟空調，當天氣過(guò)冷時(shí)又會(huì )開(kāi)通加熱器。但這些反饋回路并非維持舒適的室內溫度，還是確保了組織發(fā)育順利進(jìn)行，身體左右對稱(chēng)生長(cháng)。

在發(fā)表近期《細胞》（Cell）雜志上的一項研究中， Megason 與哈佛醫學(xué)院系統生物學(xué)系及薩斯克漢那大學(xué)數學(xué)系的同事們，將焦點(diǎn)放在了一個(gè)問(wèn)題上：即在斑馬魚(yú)胚胎表面稱(chēng)作為預包被層（ presumptive  enveloping  layer， pre-EVL ）的上皮組織中細胞正確的三維形狀是如何生成的。

物理互作和基本幾何學(xué)原理起關(guān)鍵作用。該研究小組利用開(kāi)發(fā)的數學(xué)工具描述了肥皂泡相互作用來(lái)指導他們的研究，這是因為在基本水平上生長(cháng)組織中的細胞就像在肥皂膜上一起形成的肥皂泡一樣。在發(fā)育的早期，當組織細胞稀少時(shí)，細胞之間不太擁擠，細胞伸展呈扁平的烙餅樣形狀。當組織變得越來(lái)越擁擠時(shí)，細胞擠壓在一起，變成了立方體形，最終呈柱狀。

利用成像和追蹤軟件，該研究小組能夠在發(fā)育胚胎中監測單個(gè)的細胞。 Megason 研究小組測量了細胞的形狀并追蹤了每個(gè)細胞的分裂方式。他們發(fā)現，細胞的形狀控制了細胞分裂的方向：當 pre-EVL 細胞稀少時(shí)細胞是扁平形，它們更有可能并排分裂，由此增加組織中細胞的數量。當上皮開(kāi)始變得擁擠時(shí)，細胞更有可能垂直分裂，使得在細胞分裂過(guò)程中一個(gè)子細胞脫離出來(lái)，開(kāi)始在 pre-EVL 下形成新的一層。

研究人員的計算模擬顯示，其他的參數如表面積和組織中的細胞數并不會(huì )影響細胞形狀或分裂方式。 Megason 說(shuō)，這表明在進(jìn)化過(guò)程中這些反饋機制有可能也促進(jìn)了適應性，如果一個(gè)物種進(jìn)化生長(cháng)出更大或更小的卵子，這一細胞形狀閾值機制仍然會(huì )調控發(fā)育組織維持它們正常的形態(tài)和功能。

Megason 研究小組發(fā)現在 pre-EVL 中，當細胞達到大約1的閾值（細胞的寬度大致和深度相等）時(shí)，它們從更有可能水平分裂轉為更有可能垂直分裂。

Megason 說(shuō)，其他類(lèi)型的上皮組織具有不同的閾值，使得它們能夠發(fā)育為不同的細胞形狀，并有可能獲得功能利益。這一控制細胞形狀分裂的潛在機制有可能在分子水平上受到控制，有一些遺傳和表觀(guān)遺傳開(kāi)關(guān)控制了細胞內的結構定向，在細胞分裂過(guò)程中幫助組織了遺傳物質(zhì)。

“最終，要真正地了解更深層次的一些問(wèn)題，例如胚胎是如何健壯發(fā)育的，我們需要了解分子、細胞和組織不同尺度上一些機制的作用和互作，”Megason說(shuō)。

原文檢索：

http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(14)01155-6