发现纤毛在左右胚胎身体计划中发挥关键生物传感器作用

已知左右不对称是在早期胚胎发生过程中由一小群称为左右组织者的细胞建立的。在这个组织者中，活动的纤毛快速跳动以产生向左方向的细胞外液流动，这是左右差异的第一个向外迹象。这种早期的流动已被证明对区分右派和左派至关重要。然而，这种流动如何被感知并转化为左右不对称一直是未知的。

马萨诸塞州总医院(MGH)的研究人员发表了一项研究，表明组织者中的纤毛作为流动的创造者发挥作用——它们还充当流动所施加的生物力学力的传感器，以塑造发育中的左右身体计划胚胎。他们的发现“纤毛作为钙介导的机械传感器发挥作用，指示左右不对称”出现在《科学》杂志上。

左右不对称的缺陷与许多人类疾病有关，包括异位综合症(一种罕见的身体许多器官可能异常形成的病症)、原发性纤毛运动障碍(影响肺部、鼻子和鼻腔细小纤毛的基因突变)。耳朵，损害它们清除细菌和污染物的能力，并导致粘液积聚和感染)和先天性心脏病。

“从这项研究中获得的知识不仅促进了我们对控制人体发育的基本细胞过程的理解，[它]还可能为开发这些疾病的新诊断方法开辟新途径，”ShiaulouYuan博士说，MGH心血管研究中心的一名研究员。“此外，这项工作可能为纤毛信号和机械传感的靶向治疗铺平道路，以改善结果。”

“大多数脊椎动物双侧对称性的破坏严重依赖于胚胎左右组织者(LRO)的活动纤毛，它会产生定向流体流动;然而，目前尚不清楚这种流动是如何被感知的。在这里，我们证明了不动的LRO纤毛是剪切力的机械传感器，使用的方法论管道结合了光学镊子、光片显微镜和深度学习，以允许在斑马鱼中进行体内分析，”研究人员写道。

“不动的LRO纤毛的机械操作激活了需要阳离子通道Polycystin-2的纤毛内钙瞬变。此外，应用于LRO纤毛的机械力足以挽救和逆转缺乏活动纤毛的斑马鱼的心脏位置。因此，LRO纤毛是机械敏感的细胞杠杆，可将生物力学力转化为钙信号，以指示左右不对称。”

“许多小组近25年的工作表明，组织者中的纤毛和流动对于建立身体左右不对称是绝对必要的，”Yuan指出，他也是哈佛医学院的医学助理教授，也是该论文的资深作者。学习。“但我们还没有合适的工具或技术来明确研究这一切是如何运作的。”

为了克服这一挑战，研究人员利用斑马鱼作为左右发育模型，并采用了一种由定制显微镜和机器学习分析组成的新型光学工具包。该团队部署了光镊——一种利用光来固定和移动类似于牵引光束的微观物体的生物物理工具——首次能够将机械力精确传递到完整的活体动物的纤毛上。

利用这些工具，研究人员发现纤毛是细胞表面的机械传感器，对于发育中的身体和器官(例如心脏)的左右不对称非常重要。通过对斑马鱼左右组织器中的纤毛施加机械力，他们表明组织者纤毛的一个子集感知并将流动力转化为控制斑马鱼左右发育的钙信号。

Yuan和他的同事们继续研究控制纤毛力感应的分子机制。他们还致力于开发可视化和操纵纤毛信号的新策略，其长期目标是开发治疗纤毛相关疾病的新工具。

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