Cell解密：细胞形态由谁定？

　　生物发育是一个混乱的事件。

　　发育中的细胞具有各种各样的形态。它们有可能像烙饼那样扁平，像立方体一样呈等边形，或是像软管一样细而长。发育胚胎是由不同大小的卵子所生成，并且它们往往是在动态环境中生长发育。由于有性生殖和随机突变，它们具有各种各样的遗传标记。更奇怪的是，细胞内的遗传回路已知是嘈杂且容易出错的。然而，尽管一团混乱，大多数的动物出生时都是完全正常的。

　　哈佛医学院系统生物学副教授Sean Megason说：“鉴于这种噪音无法避免，那么发育是如何生成如此精确模式化和有组织的生物体的呢？我们认为通用的答案就是，尽管有着不可避免的变化，在多个层次上有一些反馈系统监控了组织发育的进展，一路调整方向以保持在正常的轨道上。

　　想象一下生物恒温器，当天气过热时它会开启空调，当天气过冷时又会开通加热器。但这些反馈回路并非维持舒适的室内温度，而是确保了组织发育顺利进行，身体左右对称生长。

　　在发表近期《细胞》（Cell）杂志上的一项研究中，Megason与哈佛医学院系统生物学系及萨斯克汉那大学数学系的同事们，将焦点放在了一个问题上：即在斑马鱼胚胎表面称作为预包被层（presumptive enveloping layer，pre-EVL）的上皮组织中细胞正确的三维形状是如何生成的。

　　物理互作和基本几何学原理起关键作用。该研究小组利用开发的数学工具描述了肥皂泡相互作用来指导他们的研究，这是因为在基本水平上生长组织中的细胞就像在肥皂膜上一起形成的肥皂泡一样。在发育的早期，当组织细胞稀少时，细胞之间不太拥挤，细胞伸展呈扁平的烙饼样形状。当组织变得越来越拥挤时，细胞挤压在一起，变成了立方体形，最终呈柱状。

　　利用成像和追踪软件，该研究小组能够在发育胚胎中监测单个的细胞。Megason研究小组测量了细胞的形状并追踪了每个细胞的分裂方式。他们发现，细胞的形状控制了细胞分裂的方向：当pre-EVL细胞稀少时细胞是扁平形，它们更有可能并排分裂，由此增加组织中细胞的数量。当上皮开始变得拥挤时，细胞更有可能垂直分裂，使得在细胞分裂过程中一个子细胞脱离出来，开始在pre-EVL下形成新的一层。

　　研究人员的计算模拟显示，其他的参数如表面积和组织中的细胞数并不会影响细胞形状或分裂方式。Megason说，这表明在进化过程中这些反馈机制有可能也促进了适应性，如果一个物种进化生长出更大或更小的卵子，这一细胞形状阈值机制仍然会调控发育组织维持它们正常的形态和功能。

　　Megason研究小组发现在pre-EVL中，当细胞达到大约1的阈值（细胞的宽度大致和深度相等）时，它们从更有可能水平分裂转为更有可能垂直分裂。

　　Megason说，其他类型的上皮组织具有不同的阈值，使得它们能够发育为不同的细胞形状，并有可能获得功能利益。这一控制细胞形状分裂的潜在机制有可能在分子水平上受到控制，有一些遗传和表观遗传开关控制了细胞内的结构定向，在细胞分裂过程中帮助组织了遗传物质。

　　“最终，要真正地了解更深层次的一些问题，例如胚胎是如何健壮发育的，我们需要了解分子、细胞和组织不同尺度上一些机制的作用和互作，”Megason说。