研究精确定位海星胚胎对压力的细胞反应

一个国际科学家团队发现了一种新的细胞机制，该机制解释了细胞如何通过将自身包装成独特的形状来适应组织生长过程中的压力变化

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所、斯坦福大学霍普金斯海洋站和西班牙塞维利亚生物医学研究所（IBiS）的研究人员领导了这项研究，这项研究因其在这种情况下使用海星胚胎作为模式生物而新颖。他们的发现发表在5月7日的《发展》杂志上。

实验室工作在里昂实验室的斯克里普斯海洋生物技术和生物医学中心进行，该中心专注于利用海洋无脊椎动物推进进化发育生物学领域。这项研究以使用海洋胚胎而闻名；特别是海星Patiria miniata的胚胎&mdash；以了解细胞如何应对其物理环境的变化

“我们的研究表明，细胞对压力的反应会呈现出不同寻常的几何形状。这揭示了细胞如何应对物理环境的变化，而这些变化在每个组织中都是动态发生的，”首席作者Vanessa Barone说，她在斯克里普斯海洋学研究所担任博士后研究员时进行了这项工作

“这也是一个有趣的例子，说明了研究海洋生物如何能够获得广泛相关的基本细胞生物学知识。”

作者表示，这一结果可能对了解健康细胞如何适应生长不受控制的肿瘤细胞施加的压力具有未来的意义

虽然以前已经描述过细胞不寻常的几何形状，即盾状物，但人们认为它的发生主要是由于细胞嵌入的组织的形状。三角肌呈棱柱状，顶部有六条边，底部有五条边

先前的研究表明，当组织以某种方式弯曲时，如管状或蛋形，一定比例的细胞将变成盾片，因为在这种情况下，这是能量上有利的形状

在这项新的研究中，研究人员结合了海星胚胎发育的实时成像、详细的图像分析和计算建模，表明细胞在其他更常见的情况下也会变成黄芩

他们发现，在致密上皮组织中发生细胞分裂后，这些细胞变成了盾片。细胞是动物的基石。在胚胎发育过程中，这些细胞迅速分裂，数量增加

上皮细胞通过其强大的相互连接和覆盖身体表面的能力来区分自己。这些细胞形成一层保护屏障，将成年动物的外表面与内腔分隔开来。此外，上皮组织形成腺体，是许多器官（如肝脏或肾脏）的主要组织

Patiria miniata WT胚胎，动物视图。表达膜标记物（mYFP，黄色）和核标记物（n-RFP，青色）的野生型胚胎的共焦延时视频的最大投影，在32和2000个细胞阶段之间成像。动物视图（注意极地身体）。比例尺，50μm。帧间隔为6分钟，每秒7帧。来源：发展（2024）。DOI:10.1242/dev.202362

随着这些细胞数量的增加，它们通常需要调整到有限的空间，这会导致组织压实。因此，上皮细胞必须有效地组织自己，同时承受来自也在增殖的邻近细胞的压力。这项研究表明，上皮细胞可能能够通过采用盾形来适应新形成的细胞

“通过观察海星的胚胎，我们发现了有关细胞生物学的重要新信息，这些信息与人类健康有着潜在的联系，”研究合著者、斯克里普斯海洋学的海洋生物学家迪尔德雷·莱昂斯说

“这是第一项在现场电影中真实显示海星胚胎发育过程中上皮细胞堆积和细胞分裂的研究。我们的发现对理解这些组织的细胞结构有着广泛的意义。”

海星胚胎是了解细胞增殖时如何组织成上皮层的理想选择。这是因为海星细胞经历了几轮同步的细胞分裂，从而形成了上皮层

此外，这些胚胎在海水中发育，它们相当透明，很容易在高分辨率显微镜上成像。这些品质使科学家能够随着时间的推移跟踪每个细胞，同时观察其形成的整个上皮组织

“细胞生长和组织之间的适当协调是一个非常复杂的过程。通过使用海星胚胎作为模型，我们已经能够动态研究其早期发育阶段，”Luis Marí；a Escudero，该研究的合著者和IBiS的研究人员。

斯克里普斯海洋研究所的研究人员在实验室中捕捉到了显示这些细胞过程正在进行的实时图像。IBiS团队随后使用Escudero团队最近发布的一种新的图像分析方法CartoCell来进一步分析图像。CartoCell是一种基于深度学习的软件工具，可以快速自动处理三维图像，例如来自海星胚胎时间流逝的图像

Escudero说：“我们观察到，细胞分裂后，细胞采用盾形的可能性立即显著增加。”。“因此，我们得出结论，增殖引起的细胞密度增加与形状的变化有关。这种形状的变化可能是因为细胞更能承受压缩