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生物發(fā)育是一個混亂的事件。
發(fā)育中的細胞具有各種各樣的形態(tài)。它們有可能像烙餅?zāi)菢颖馄剑窳⒎襟w一樣呈等邊形，或是像軟管一樣細而長。發(fā)育胚胎是由不同大小的卵子所生成，并且它們往往是在動態(tài)環(huán)境中生長發(fā)育。由于有性生殖和隨機突變，它們具有各種各樣的遺傳標記。更奇怪的是，細胞內(nèi)的遺傳回路已知是嘈雜且容易出錯的。然而，盡管一團混亂，大多數(shù)的動物出生時都是完全正常的。
哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)副教授 Sean Megason 說：“鑒于這種噪音無法避免，那么發(fā)育是如何生成如此精確模式化和有組織的生物體的呢？我們認為通用的答案就是，盡管有著不可避免的變化，在多個層次上有一些反饋系統(tǒng)監(jiān)控了組織發(fā)育的進展，一路調(diào)整方向以保持在正常的軌道上。
想象一下生物恒溫器，當天氣過熱時它會開啟空調(diào)，當天氣過冷時又會開通加熱器。但這些反饋回路并非維持舒適的室內(nèi)溫度，還是確保了組織發(fā)育順利進行，身體左右對稱生長。
在發(fā)表近期《細胞》（Cell）雜志上的一項研究中， Megason 與哈佛醫(yī)學(xué)院系統(tǒng)生物學(xué)系及薩斯克漢那大學(xué)數(shù)學(xué)系的同事們，將焦點放在了一個問題上：即在斑馬魚胚胎表面稱作為預(yù)包被層（ presumptive enveloping layer， pre-EVL ）的上皮組織中細胞正確的三維形狀是如何生成的。
物理互作和基本幾何學(xué)原理起關(guān)鍵作用。該研究小組利用開發(fā)的數(shù)學(xué)工具描述了肥皂泡相互作用來指導(dǎo)他們的研究，這是因為在基本水平上生長組織中的細胞就像在肥皂膜上一起形成的肥皂泡一樣。在發(fā)育的早期，當組織細胞稀少時，細胞之間不太擁擠，細胞伸展呈扁平的烙餅樣形狀。當組織變得越來越擁擠時，細胞擠壓在一起，變成了立方體形，最終呈柱狀。
利用成像和追蹤軟件，該研究小組能夠在發(fā)育胚胎中監(jiān)測單個的細胞。 Megason 研究小組測量了細胞的形狀并追蹤了每個細胞的分裂方式。他們發(fā)現(xiàn)，細胞的形狀控制了細胞分裂的方向：當 pre-EVL 細胞稀少時細胞是扁平形，它們更有可能并排分裂，由此增加組織中細胞的數(shù)量。當上皮開始變得擁擠時，細胞更有可能垂直分裂，使得在細胞分裂過程中一個子細胞脫離出來，開始在 pre-EVL 下形成新的一層。
研究人員的計算模擬顯示，其他的參數(shù)如表面積和組織中的細胞數(shù)并不會影響細胞形狀或分裂方式。 Megason 說，這表明在進化過程中這些反饋機制有可能也促進了適應(yīng)性，如果一個物種進化生長出更大或更小的卵子，這一細胞形狀閾值機制仍然會調(diào)控發(fā)育組織維持它們正常的形態(tài)和功能。
Megason 研究小組發(fā)現(xiàn)在 pre-EVL 中，當細胞達到大約1的閾值（細胞的寬度大致和深度相等）時，它們從更有可能水平分裂轉(zhuǎn)為更有可能垂直分裂。
Megason 說，其他類型的上皮組織具有不同的閾值，使得它們能夠發(fā)育為不同的細胞形狀，并有可能獲得功能利益。這一控制細胞形狀分裂的潛在機制有可能在分子水平上受到控制，有一些遺傳和表觀遺傳開關(guān)控制了細胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)定向，在細胞分裂過程中幫助組織了遺傳物質(zhì)。
“最終，要真正地了解更深層次的一些問題，例如胚胎是如何健壯發(fā)育的，我們需要了解分子、細胞和組織不同尺度上一些機制的作用和互作，”Megason說。
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