在加州大学圣巴巴拉分校和德累斯顿工业大学生命物理学卓越集群开展的研究中，生物物理学家 Otger Campàs 及其研究小组发现，在胚胎发育过程中，细胞核控制着眼睛和脑组织的结构和力学。这些结果为细胞核在组织组织中增添了新的作用，远远超出了其在基因调控中既定的作用。
“我们测量了斑马鱼视网膜的组织硬度，发现它取决于细胞核的堆积。这完全出乎意料，因为组织力学被认为取决于细胞表面的相互作用，而不是细胞内的细胞器，” Campàs 说道，他现在是德累斯顿工业大学生命物理卓越集群的教授和组织动力学主席，同时还担任该集群的常务董事。这项研究发表在《自然材料》杂志上，为了解细胞如何协调胚胎发育提供了一条尚未探索的途径。
隐藏的建筑师
在每个细胞内，被称为细胞器的单个结构发挥着关键功能，但这些细胞器如何促进组织和器官的形成尚不清楚。 就像城市的工厂或道路一样，无数的细胞器在细胞内执行任务，以使细胞正常运作。由于它们被限制在细胞内，人们认为细胞器在胚胎发生过程中并不直接参与器官的形成。直到现在。
细胞核是一种细胞器，负责处理细胞内的信息，基因的开启和关闭取决于接收到的信号。然而，细胞核也是细胞内最大、最坚硬的细胞器，除了处理信息外，还会影响组织的物理结构。Campàs 对细胞核如何在组织形成中发挥作用非常感兴趣，因此决定研究细胞核在器官形成中的作用。
他的研究小组之前的开创性工作发现，细胞集合在发育过程中就像泡沫一样，可以被堵塞以“冻结”组织结构并设定其形状，或“融化”以允许组织流动并塑造它们。
通过扩展主动泡沫模型，我们确定了一种由相对核和细胞尺寸控制的固体到流体的新型转变模式。”
Sangwoo Kim，共同主要作者
当作者在实验和理论环境中研究细胞核与眼和脑组织细胞的大小时，他们发现，如果细胞核占据了大部分细胞空间，那么组织硬度将直接受细胞核控制。此外，他们还发现，当细胞核如此紧密地堆积时，它们会将细胞排列成近乎晶体的阵列。
“当细胞核开始机械相互作用时，组织力学和细胞排序都不再由细胞表面决定，而是由细胞核本身控制，”Campàs 说。“这是一种决定整个组织硬度的细胞器。”他们的研究挑战了现状，揭示了细胞核在控制组织组织和力学方面的新作用。
为了探索细胞核大小如何影响器官形成，研究人员采用了斑马鱼。这些脊椎动物是探索发育问题的宝贵模型，因为它们在胚胎阶段完全透明，成熟迅速，可以以 3D 形式可视化器官形成。
“因此，我们进行了结构测量和细胞运动量化，重点关注斑马鱼的视网膜和大脑发育，”共同主要作者 Rana Amini 说道。
通过这些测量，作者证明了在发育的关键阶段，细胞和细胞核尺寸的变化会“挤压”细胞核，因为它们会被邻近的细胞紧紧包围。在这个转变过程中，细胞核会整齐地贴合在一起，就像罐子里的咖啡豆一样，这种组织方式对眼睛的功能可能很重要。在我们的眼睛里，细胞的排列看起来非常有条理，通常呈现出一种非常规则的“晶体”顺序，这是处理视觉线索所必需的。斑马鱼也不例外，细胞的晶体顺序似乎是眼睛发育过程中细胞核挤压的结果。
除了眼睛之外，研究小组还发现脑组织细胞核堵塞，揭示了细胞核在控制多种神经组织结构方面发挥的新作用。这项研究还强调了细胞核水平缺陷可能导致与组织结构受损相关的疾病。这一新发现让我们更接近于了解细胞在胚胎发育过程中如何构建器官。
