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生物發(fā)育是一個混亂的事件。
發(fā)育中的細(xì)胞具有各種各樣的形態(tài)。它們有可能像烙餅?zāi)菢颖馄?，像立方體一樣呈等邊形，或是像軟管一樣細(xì)而長。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態(tài)環(huán)境中生長發(fā)育。由于有性生殖和隨機(jī)突變，它們具有各種各樣的遺傳標(biāo)記。更奇怪的是，細(xì)胞內(nèi)的遺傳回路已知是嘈雜且容易出錯的。然而，盡管一團(tuán)混亂，大多數(shù)的動物出生時都是完全正常的。
哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)副教授 Sean Megason 說：“鑒于這種噪音無法避免，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(rèn)為通用的答案就是，盡管有著不可避免的變化，在多個層次上有一些反饋系統(tǒng)監(jiān)控了組織發(fā)育的進(jìn)展，一路調(diào)整方向以保持在正常的軌道上。
想象一下生物恒溫器，當(dāng)天氣過熱時它會開啟空調(diào)，當(dāng)天氣過冷時又會開通加熱器。但這些反饋回路并非維持舒適的室內(nèi)溫度，還是確保了組織發(fā)育順利進(jìn)行，身體左右對稱生長。
在發(fā)表近期《細(xì)胞》（Cell）雜志上的一項研究中， Megason 與哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)系及薩斯克漢那大學(xué)數(shù)學(xué)系的同事們，將焦點放在了一個問題上：即在斑馬魚胚胎表面稱作為預(yù)包被層（ presumptive enveloping layer， pre-EVL ）的上皮組織中細(xì)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。該研究小組利用開發(fā)的數(shù)學(xué)工具描述了肥皂泡相互作用來指導(dǎo)他們的研究，這是因為在基本水平上生長組織中的細(xì)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(dāng)組織細(xì)胞稀少時，細(xì)胞之間不太擁擠，細(xì)胞伸展呈扁平的烙餅樣形狀。當(dāng)組織變得越來越擁擠時，細(xì)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(jiān)測單個的細(xì)胞。 Megason 研究小組測量了細(xì)胞的形狀并追蹤了每個細(xì)胞的分裂方式。他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞的形狀控制了細(xì)胞分裂的方向：當(dāng) pre-EVL 細(xì)胞稀少時細(xì)胞是扁平形，它們更有可能并排分裂，由此增加組織中細(xì)胞的數(shù)量。當(dāng)上皮開始變得擁擠時，細(xì)胞更有可能垂直分裂，使得在細(xì)胞分裂過程中一個子細(xì)胞脫離出來，開始在 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(shù)如表面積和組織中的細(xì)胞數(shù)并不會影響細(xì)胞形狀或分裂方式。 Megason 說，這表明在進(jìn)化過程中這些反饋機(jī)制有可能也促進(jìn)了適應(yīng)性，如果一個物種進(jìn)化生長出更大或更小的卵子，這一細(xì)胞形狀閾值機(jī)制仍然會調(diào)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(xiàn)在 pre-EVL 中，當(dāng)細(xì)胞達(dá)到大約1的閾值（細(xì)胞的寬度大致和深度相等）時，它們從更有可能水平分裂轉(zhuǎn)為更有可能垂直分裂。
Megason 說，其他類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(xì)胞形狀，并有可能獲得功能利益。這一控制細(xì)胞形狀分裂的潛在機(jī)制有可能在分子水平上受到控制，有一些遺傳和表觀遺傳開關(guān)控制了細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)定向，在細(xì)胞分裂過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題，例如胚胎是如何健壯發(fā)育的，我們需要了解分子、細(xì)胞和組織不同尺度上一些機(jī)制的作用和互作，”Megason說。
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