飞腿中的瞬态结构为昆虫形状的形成提供了线索

东京大学研究人员领导的一项新研究表明，一条小腿可能揭示出一些重要的信息，即密切相关的昆虫物种在体型上有多么巨大的差异

研究小组使用延时显微镜对果蝇的活细胞进行成像，发现了一种新的结构，这种结构在普通果蝇发育的最后阶段形成和消失，似乎有助于引导果蝇腿部的一部分形成最终形状

这些发现可能有助于更好地理解决定昆虫身体形状的机制，并为塑造其他生物体的过程提供见解

对于这项现已发表在《发育基因与进化》上的研究，研究小组着手阐明某些细胞如何决定生物体的最终形状

通过对普通果蝇Drosophila melanogaster的活细胞进行几天的成像，分析细胞在发育最后阶段的变化，研究人员在果蝇的腿部发现了一个瞬态结构，该结构参与了确定肢体的最终形状。他们将这个构造命名为“帕特农神庙式结构”，因为它与古希腊废墟相似

“在最终的形状形成过程中，细胞的形状变化比以往任何时候都要剧烈，”合著者、东京大学前沿科学研究生院综合生物科学系副教授Tetsuya Kojima说

“特别是在果蝇的腿的情况下，细胞会短暂地形成迷人的结构。因为帕台农神庙状结构出现在腿以外的组织中，似乎也出现在其他昆虫中，所以它的短暂形成可能是形成昆虫身体最终形状的基本过程。”

研究人员表示，细胞命运决定的基本机制——细胞如何确定哪些基因表达并促进生物体的发育——在密切相关的物种中是保守的。然而，这些细胞对形状的贡献仍然难以捉摸

“由于形状在密切相关的物种之间可能存在巨大差异，这些物种有望共享细胞命运决定的基本机制，因此最终形状形成过程的差异应大大有助于形成形状差异，”合著者、东京大学研究员、日本千叶大学副教授Reiko Tajiri说

“了解最终形状形成的机制对于理解生物体形状的形成和多样化机制非常重要。”

为了了解最终形状的形成机制，研究人员使用倒置共聚焦显微镜对果蝇发育中的腿进行了几天的成像，该显微镜可以从下面对标本进行成像，并提供更清晰的视觉效果

他们特别关注跗骨，即离昆虫身体最远的腿部。雄性潜水甲虫的跗节可以扁平而宽，蚊子的跗节可以细长。跗节也包含自己的节段，这些节段在不同物种之间存在显著差异

从第三阶段到第五阶段的实时成像：细胞动态地改变其形状和直径，在第三阶段迅速减少。快速移动的细胞是巨噬细胞样细胞。来源：Tetsuya Kojima，东京大学前沿科学研究生院

“这种形态（形式和结构）的多样性使昆虫跗节成为研究最终形状形成及其多样化机制的良好模型，”Kojima说

“在这项研究中，我们发现上皮细胞（排列在结构表面的细胞）和基底膜的形状发生了意想不到的巨大变化，这导致了分化为跗骨段的结构。我们还看到了巨噬细胞样细胞的有趣行为，这通常有助于清理废细胞。”

他们说，细胞进一步发生了“戏剧性”的变化，形成了意想不到的、短暂的帕台农神庙式结构。随着这种结构的形成和消失，跗骨的直径迅速减小。随着直径的减小，上皮细胞层变薄

小岛说：“我们的研究结果有助于阐明成年跗骨最终形状形成的机制。”。该团队现在正在更详细地研究帕台农神庙状结构的形成和消失，以更好地了解它如何有助于形成最终的腿形 More information: Shotaro Hiraiwa et al, Unveiling the cell dynamics during the final shape formation of the tarsus in Drosophila adult leg by live imaging, Development Genes and Evolution (2024). DOI: 10.1007/s00427-024-00719-z