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(gè)組織者中，活動(dòng)的纖毛快速跳動(dòng)以產(chǎn)生向左方向的細(xì)胞外液流動(dòng)，這是左右差異的第一個(gè)向外跡象。這種早期的流動(dòng)已被證明對區(qū)分右派和左派至關(guān)重要。然而，這種流動(dòng)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(xiàng)研究，表明組織者中的纖毛作為流動(dòng)的創(chuàng)造者發(fā)揮作用——它們還充當(dāng)流動(dòng)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(jì)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(dòng)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(xiàng)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(xiàng)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(dòng)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(dòng)纖毛，它會(huì)產(chǎn)生定向流體流動(dòng);然而，目前尚不清楚這種流動(dòng)是如何被感知的。在這里，我們證明了不動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)部署了光鑷——一種利用光來固定和移動(dòng)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(dòng)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(gè)子集感知并將流動(dòng)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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