纤毛作为胚胎发生过程中的细胞力传感器

虽然人体在左右轴线上是外部对称的，但包括心脏、肺、肝、胃和大脑在内的大多数内脏器官的形状和位置存在显着的左右对称性。

已知左右不对称性是在早期胚胎发生过程中由一小簇称为左右组织者的细胞建立的。在这个组织者中，运动纤毛，细胞表面的毛发状结构，迅速跳动以产生细胞外液的向左定向流动，这是左右差异的第一个外在迹象。

这种早期流动已被证明对区分左右至关重要;然而，这种流动是如何被感知并转化为左右不对称的尚不清楚。

由MGH研究人员领导的一项新研究现在显示，组织者中的纤毛作为流动的创造者 - 它们还充当流动施加的生物力学力的传感器，以塑造发育中的胚胎的左右身体计划。

研究结果发表在《科学》杂志上。

“许多小组近25年的工作表明，组织者中的纤毛和流动对于建立身体左右不对称是绝对必要的，”麻省总医院心血管研究中心研究员，哈佛医学院医学助理教授Shiaulou Yuan博士说。“但我们还没有合适的工具或技术来明确研究这一切是如何工作的。

为了克服这一挑战，研究人员利用斑马鱼作为左右发育的模型，并采用了一种由定制显微镜和机器学习分析组成的新型光学工具包。

他们的方法是独特的，因为他们开发和部署了光镊 - 一种生物物理工具，使用光来固定和移动类似于牵引光束的微观物体 - 首次能够将机械力精确地传递到完整的活体动物的纤毛上。

利用这些工具，研究人员发现纤毛是细胞表面机械传感器，对于发育中的身体和器官(如心脏)的左右不对称很重要。

通过使用光镊对斑马鱼左右组织者的纤毛施加机械力，他们表明组织者纤毛的一个子集感知并将流动力转化为钙信号，控制斑马鱼左右发育。

左右不对称缺陷与许多人类疾病有关，包括异向综合征、原发性睫状运动障碍和先天性心脏病。

“从这项研究中收集的知识不仅促进了我们对控制人体发育的基本细胞过程的理解，而且还可能为开发这些疾病的新型诊断开辟新的途径，”袁说。“此外，这项工作可能为纤毛信号传导和机械传感的靶向治疗铺平道路，以改善结果。

Yuan和他的同事们继续研究控制纤毛力传感的分子机制。他们还继续开发可视化和操纵纤毛信号的新策略，其长期目标是开发用于治疗纤毛相关疾病的新工具。

“这些结果以及使之成为可能的工具为胚胎的发育模式提供了一个新窗口，也打开了潘多拉的盒子，”南加州大学生物学和生物工程教务长教授Scott E. Fraser说。“它提醒我们，关于纤毛信号传导和机械生物学如何影响发育和疾病，我们还有很多东西需要了解。

其他MGH和哈佛医学院的作者包括Lydia Djenoune，Mohammed Mahamdeh和Christopher Nguyen。其他作者包括南加州大学的Thai V. Truong，以及耶鲁大学的Martina Brueckner和Jonathon Howard。

这项研究得到了国家心肺血液研究所、尤尼斯·肯尼迪·施莱佛国家儿童健康与人类发展研究所、美国心脏协会、查尔斯·胡德基金会、国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、南加州大学转化成像中心等的支持。

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