2017年8月1日,国际著名学术期刊《美国科学院院刊》在线发表了清华大学航天航空学院冯西桥课题组和美国华盛顿大学蓝赣辉研究组合作的题为《多细胞单层中振荡形貌动力学的激活与同步化》(Activation and synchronization of the oscillatory morphodynamics in multicellular monolayer)的研究论文,揭示群体细胞协同振荡的力学–生物学耦合作用机制,该成果对于胚胎发育力学的研究有重要价值。清华大学航天航空学院生物力学与医学工程研究所博士生林绍珍和李博副教授是该论文的共同第一作者,冯西桥教授、李博副教授和蓝赣辉助理教授为论文共同通讯作者。

力学因素在生物体发育过程中扮演着重要角色,但前人研究多集中在力学因素对宏观组织与器官形态的影响。随着细胞生物学的快速发展,力学因素在细胞尺度上的调控作用受到越来越多的关注。在生物系统中,群体细胞振荡现象广泛存在于脊椎动物分节、中胚层内陷、胚带延伸等胚胎发育的关键过程中,对于协调、联系生命体在细胞和组织两个尺度上的发育具有重要意义。尽管已有实验证据表明细胞振荡对于胚胎发育不可或缺,然而,群体细胞是如何实现协调的集体振荡的?力学与生物学因素在其中各自扮演什么样的角色?这些问题至今尚不清楚。

本研究以果蝇胚胎发育背部闭合过程中羊浆膜细胞形态振荡为例,建立了刻画群体细胞振荡的力学–化学耦合理论,发现力学信号与生化反应通路构成一套时滞负反馈机制,并在细胞单层内产生霍普动力学分岔(Hopf bifurcation, 缩写为HB),从而实现持续的群体细胞周期振荡。结果表明,细胞之间的拉伸应力可视作该振荡的门控机制,并激活生化反应作为维持振荡的能量输入。羊浆膜的力学边界条件不仅有助于保持该组织在发育过程中的几何完整性,而且对羊浆膜内多细胞振荡的极化和同步化起关键作用。该研究揭示了力学因素在细胞群体行为中处于重要地位,解释了果蝇发育中羊浆膜单层振荡的力学–化学耦合机制,所得结果同时有助于理解伤口愈合、肿瘤转移等过程中的群体细胞迁移现象。

果蝇胚胎发育过程中羊浆膜群体细胞振荡力学机制(左上)果蝇胚胎背部闭合过程示意图;(右上)果蝇胚胎背部闭合过程细胞面积与肌球蛋白活性演化的数值模拟;(左下)边界刚度对群体细胞振荡模式的调控;(右下)细胞弹性和主动收缩对群体细胞动力学行为的调控。

原文摘要:

Oscillatory morphodynamics provides necessary mechanical cues for many multicellular processes. Owing to their collective Nature, these processes require robustly coordinated dynamics of individual cells, which are often separated too distantly to communicate with each other through biomaterial transportation. Although it is known that the mechanical balance generally plays a significant role in the systems’ morphologies, it remains elusive whether and how the mechanical components may contribute to the systems’ collective morphodynamics. Here, we study the collective oscillations in the Drosophila amnioserosa tissue to elucidate the regulatory roles of the mechanical components. We identify that the tensile stress is the key activator that switches the collective oscillations on and off. This regulatory role is shown analytically using the Hopf bifurcation theory. We find that the physical properties of the tissue boundary are directly responsible for synchronizing the oscillatory intensity and polarity of all inner cells and for orchestrating the spatial oscillation patterns inthe tissue.

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