在发育中的心脏中，细胞相互移动，碰撞以找到它们的位置，而其中的风险很高：与错误的细胞配对可能意味着心脏跳动与否的不同。一项研究展示了心脏细胞如何进行这种“配对”过程。研究人员模拟了这些细胞的复杂运动，并预测遗传变异如何干扰果蝇的心脏发育过程。
在发育中的心脏中，细胞相互移动，碰撞以找到它们的位置，而其中的风险很高：与错误的细胞配对可能意味着心脏跳动与否的不同。一项于 3 月 12 日在 Cell Press 期刊《生物物理期刊》上发表的研究展示了心脏细胞如何进行这种“配对”过程。研究人员模拟了这些细胞的复杂运动，并预测遗传变异如何干扰果蝇的心脏发育过程。
在人类和果蝇中，心脏的组织来源于胚胎的两个不同区域，这些区域最初相距甚远。随着发育的进行，这些细胞向彼此移动，最终合并成一个管状的形状，成为心脏。为了让心脏正确发育，这些细胞必须精确对齐并配对。
“当细胞聚集在一起时，它们会抖动和调整，总是以某种方式最终配对上相同类型的心脏细胞，”华威大学的首席作者蒂莫西·桑德斯说。这一观察促使团队探索细胞是如何在第一时间进行配对的，以及它们如何知道自己找到了合适的配对。
发育中的心脏细胞有类似触手的突出物，称为纤足，它们探索并抓住潜在的合作伙伴。桑德斯的前期工作发现，蛋白质会产生拉开不匹配细胞的波动，从而给它们另一个机会去寻找合适的匹配。
“这基本上就像细胞在快速约会，”桑德斯说。“它们只有几秒钟的时间来判断自己是否是一对好匹配，如果不兼容，分子‘朋友’就会准备将它们分开。”
研究人员发现，心脏细胞追求稳定性，它们保持在静止状态附近——就像一个最终停下的滚动球，这在物理学中称为能量平衡。在发育中的心脏细胞中，当细胞在连接力与调节能力之间达到平衡时，这一原则适用——也称为粘附能与弹性。基于这一观察，团队开发了一个模型，显示细胞如何自我组织。
接下来，团队在有突变和错位的果蝇心脏上测试了他们的模型。通过计算不同细胞类型之间的粘附能量和评估组织的弹性，模型预测了细胞如何配对和重新排列。
“虽然很少见，但有时心脏管会在一侧有一个细胞，而应该有两个，或者在应该有四个的情况下有两个细胞，”桑德斯说。“我们可以将这些不完美输入到模型中并进行运行。”该模型生成的结果与真实胚胎中观察到的情况密切相符。
团队指出，他们的模型不仅增强了我们对细胞在心脏发育过程中如何配对和对齐的理解，还具有更广泛的应用。类似的细胞配对过程在神经连接、伤口修复和面部发育中至关重要，其中的故障可能导致唇裂等疾病。
“本质上，我们是为生物过程赋予数字，以解释我们观察到的现象，”桑德斯补充道。
这项研究得到了华威大学、EMBO全球调查员、新加坡教育部学术研究基金、新加坡国家研究基金会授权、HFSP青年调查员资助和英国心脏基金会研究资助的支持。
