胚胎发育过程中，组织折叠遵循预定的模式，因此同一物种的个体最终会形成形状几乎完全相同的器官，身体形态也非常相似。
麻省理工学院的科学家现已发现胚胎组织的一个关键特征，有助于解释这一过程每次为何都能如此精确地完成。在一项对果蝇的研究中，他们发现组织折叠的可重复性源于一个类似渔网般相互连接的蛋白质网络，该网络形成了许多替代路径，组织可借此以正确的方式折叠。
“我们的发现是，这一网络中存在大量冗余，”麻省理工学院生物学副教授、该研究的资深作者亚当·马丁（Adam Martin）说，“细胞之间通过机械作用相互作用和连接，但你看不到某个单独的细胞承担着至关重要的角色。这意味着，如果一个细胞受损，其他细胞仍然可以与组织的不同部分相连。”
为揭示这些网络特征，马丁与该论文的作者之一、麻省理工学院物理与应用数学副教授约恩·登克尔（Jörn Dunkel）合作，应用了一种通常由天文学家用于研究星系结构的算法。
麻省理工学院博士后汉娜·耶维克（Hannah Yevick）是该研究的第一作者，研究成果于今日发表在 Developmental Cell。研究生皮尔森·米勒（Pearson Miller）也是该论文的作者之一。
安全网
在胚胎发育过程中，组织会通过一种称为形态发生的过程改变其形状。组织改变形状的一种重要方式是折叠，这使得扁平的胚胎细胞片层能够形成管状结构以及其他对器官和身体其他部位至关重要的形状。此前对果蝇的研究表明，即使部分胚胎细胞受损，细胞片层仍能折叠成正确的形状。
“这是一个相当可重复的过程，因此我们想知道是什么使它如此稳健，”马丁说。
在本研究中，研究人员聚焦于原肠胚形成过程，在此过程中，胚胎由单层球体重组为具有多层结构的更复杂形态。这一过程以及与果蝇组织折叠相似的其他形态发生过程，同样发生在人类胚胎中。参与原肠胚形成的胚胎细胞，其细胞质中含有称为肌球蛋白和肌动蛋白的蛋白质，它们形成纤维束，并在细胞间的连接处相互连接，从而在整个组织中形成网络。马丁和耶维克曾推测，细胞连接网络可能在组织折叠的稳健性中发挥作用，但直到现在，仍没有追踪该网络连接的良好方法。
为此，马丁的实验室与登克尔展开合作。登克尔研究柔软表面和流动物质的物理学，例如皱纹形成和细菌流动模式。在本研究中，登克尔提出了一种数学方法，可用于识别三维结构的拓扑特征，类似于地貌中的山脊与山谷。天文学家利用这一算法识别星系，而在本研究中，研究人员则用它追踪组织片层中细胞内外及细胞之间的肌动球蛋白网络。
“一旦获得网络，就可以应用网络分析中的标准方法——与分析街道、其他交通网络、血液循环网络或任何其他形式网络所用的分析方法相同，”登克尔说。
此类分析尤其可以揭示网络的结构，以及信息沿网络传递的效率。一个重要问题是，当网络的一部分受损或被阻断时，网络的适应能力如何。麻省理工学院团队发现，肌动球蛋白网络包含大量冗余，也就是说，网络中的大多数“节点”都与许多其他节点相连。
这种内置的冗余类似于良好的公共交通系统：如果某条公交或火车线路中断，你仍然可以抵达目的地。由于细胞能够沿多条不同路径产生机械张力，即使网络中的许多细胞受损，它们仍能以正确的方式折叠。
“如果你和我握着一根绳子，然后我们把它从中间剪断，它就会散开。但如果你有一张网，在一些地方剪断，它仍然保持整体连通，并能够传递力，只要你不把整张网全部剪断，”登克尔说。
折叠框架
研究人员还发现，细胞之间的连接会优先自我组织，使其走向与折叠早期阶段形成的沟槽方向一致。
“我们认为，这为组织形成其形状搭建了一个框架，”马丁说。“如果阻止这些连接的方向性，那么仍然会发生折叠，但会沿错误的轴线折叠。”
尽管本研究是在果蝇中开展的，但脊椎动物（包括人类）在神经管形成过程中也会发生类似的折叠。神经管是大脑和脊髓的前体。马丁现计划应用他在果蝇研究中使用的技术，以观察小鼠神经管中的肌动球蛋白网络是否以相同方式组织。神经管闭合缺陷可导致出生缺陷，例如脊柱裂。
“我们希望了解它是如何出错的，”马丁说，“目前尚不清楚问题是出在管道的闭合上，还是折叠过程存在缺陷。”
该研究由美国国家综合医学科学研究所和詹姆斯·S·麦克唐纳基金会资助。
