已知左右不對稱是在早期胚胎發(fā)生過程中由一小群稱為左右組織者的細(xì)胞建立的。在這個組織者中，活動的纖毛快速跳動以產(chǎn)生向左方向的細(xì)胞外液流動，這是左右差異的第一個向外跡象。這種早期的流動已被證明對區(qū)分右派和左派至關(guān)重要。然而，這種流動如何被感知并轉(zhuǎn)化為左右不對稱一直是未知的。
馬薩諸塞州總醫(yī)院(MGH)的研究人員發(fā)表了一項研究，表明組織者中的纖毛作為流動的創(chuàng)造者發(fā)揮作用——它們還充當(dāng)流動所施加的生物力學(xué)力的傳感器，以塑造發(fā)育中的左右身體計劃胚胎。他們的發(fā)現(xiàn)“纖毛作為鈣介導(dǎo)的機(jī)械傳感器發(fā)揮作用，指示左右不對稱”出現(xiàn)在《科學(xué)》雜志上。
左右不對稱的缺陷與許多人類疾病有關(guān)，包括異位綜合癥(一種罕見的身體許多器官可能異常形成的病癥)、原發(fā)性纖毛運(yùn)動障礙(影響肺部、鼻子和鼻腔細(xì)小纖毛的基因突變)。耳朵，損害它們清除細(xì)菌和污染物的能力，并導(dǎo)致粘液積聚和感染)和先天性心臟病。
“從這項研究中獲得的知識不僅促進(jìn)了我們對控制人體發(fā)育的基本細(xì)胞過程的理解，[它]還可能為開發(fā)這些疾病的新診斷方法開辟新途徑，”ShiaulouYuan博士說，MGH心血管研究中心的一名研究員。“此外，這項工作可能為纖毛信號和機(jī)械傳感的靶向治療鋪平道路，以改善結(jié)果。”
“大多數(shù)脊椎動物雙側(cè)對稱性的破壞嚴(yán)重依賴于胚胎左右組織者(LRO)的活動纖毛，它會產(chǎn)生定向流體流動;然而，目前尚不清楚這種流動是如何被感知的。在這里，我們證明了不動的LRO纖毛是剪切力的機(jī)械傳感器，使用的方法論管道結(jié)合了光學(xué)鑷子、光片顯微鏡和深度學(xué)習(xí)，以允許在斑馬魚中進(jìn)行體內(nèi)分析，”研究人員寫道。
“不動的LRO纖毛的機(jī)械操作激活了需要陽離子通道Polycystin-2的纖毛內(nèi)鈣瞬變。此外，應(yīng)用于LRO纖毛的機(jī)械力足以挽救和逆轉(zhuǎn)缺乏活動纖毛的斑馬魚的心臟位置。因此，LRO纖毛是機(jī)械敏感的細(xì)胞杠桿，可將生物力學(xué)力轉(zhuǎn)化為鈣信號，以指示左右不對稱。”
“許多小組近25年的工作表明，組織者中的纖毛和流動對于建立身體左右不對稱是絕對必要的，”Yuan指出，他也是哈佛醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)助理教授，也是該論文的資深作者。學(xué)習(xí)。“但我們還沒有合適的工具或技術(shù)來明確研究這一切是如何運(yùn)作的。”
為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員利用斑馬魚作為左右發(fā)育模型，并采用了一種由定制顯微鏡和機(jī)器學(xué)習(xí)分析組成的新型光學(xué)工具包。該團(tuán)隊部署了光鑷——一種利用光來固定和移動類似于牽引光束的微觀物體的生物物理工具——首次能夠?qū)C(jī)械力精確傳遞到完整的活體動物的纖毛上。
利用這些工具，研究人員發(fā)現(xiàn)纖毛是細(xì)胞表面的機(jī)械傳感器，對于發(fā)育中的身體和器官(例如心臟)的左右不對稱非常重要。通過對斑馬魚左右組織器中的纖毛施加機(jī)械力，他們表明組織者纖毛的一個子集感知并將流動力轉(zhuǎn)化為控制斑馬魚左右發(fā)育的鈣信號。
Yuan和他的同事們繼續(xù)研究控制纖毛力感應(yīng)的分子機(jī)制。他們還致力于開發(fā)可視化和操縱纖毛信號的新策略，其長期目標(biāo)是開發(fā)治療纖毛相關(guān)疾病的新工具。
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