加州大学圣塔芭芭拉分校和德累斯顿工业大学生命物理卓越集群的生物物理学家奥特格·坎帕斯及其团队的研究表明，细胞核在胚胎发育过程中塑造眼睛和大脑组织的结构和力学方面发挥至关重要的作用。这些发现为细胞核在组织组织中的额外功能提供了证据，超越了其在调控基因方面的众所周知的角色。
“在分析斑马鱼视网膜的刚度时，我们发现它受到细胞核排列方式的影响。这令人惊讶，因为之前认为组织的力学仅依赖于细胞表面的相互作用，而不是内部细胞器的影响，”坎帕斯解释道，他目前是德累斯顿工业大学生命物理卓越集群的教授和组织动态学负责人，同时担任管理董事。该研究已发表在《自然材料》上，为理解细胞如何管理胚胎发育开辟了新的途径。
隐藏的建筑师
每个细胞都含有称为细胞器的结构，执行基本功能，但这些细胞器如何促进组织和器官形成仍不清楚。很像城市中的工厂或基础设施，无数细胞器在细胞内执行各种任务，以确保其正常运作。由于细胞器被限制在细胞内，通常认为它们在生命早期阶段并不直接影响器官发育。这个信念现在已被挑战。
细胞核是一个主要负责管理细胞内部信息的细胞器，控制基因在接受信号时的激活。然而，它也是最大的和最坚硬的细胞器，可能在物理结构上影响组织，除了它的信息角色之外。坎帕斯因细胞核对组织形成的可能影响而感兴趣，于是决定研究细胞核在器官发育中的作用。
他团队之前开展的创新研究表明，细胞群在发育过程中表现得类似泡沫，能够“堵塞”以稳定组织结构和形状，或者“融化”以使组织流动并重新塑形。
“通过应用主动泡沫模型，我们发现了固态到流体转变的新机制，这受到细胞核和细胞相对大小的影响，”共同第一作者金相宇说。
当研究人员通过实验和理论方法比较眼睛和大脑组织中细胞核的大小与细胞的大小时，他们发现当细胞核占据细胞的较大部分时，它直接控制组织的刚度。他们还观察到紧密堆积的细胞核将周围细胞组织成几乎晶体的结构。
“当细胞核开始相互机械作用时，组织的力学和细胞的组织不是由细胞表面决定，而是由细胞核自身决定，”坎帕斯说。“这表明，一个细胞器负责整个组织的刚度。”他们的研究挑战了长期以来的信念，揭示了细胞核在管理组织结构和力学方面的新功能。
为了研究细胞核大小如何影响器官形成，研究团队使用斑马鱼，因为斑马鱼在生长早期因其透明性和成熟迅速而在发育研究中具有重要价值，便于观察三维组织形成。
“我们进行了结构评估并量化细胞运动，特别关注斑马鱼的发育视网膜和大脑，”共同第一作者拉娜·阿米尼表示。
通过这些评估，研究人员显示出在发育关键阶段细胞和细胞核的大小变化导致细胞核紧密排列，因为它们被邻近细胞紧紧包围。在这个过程中，细胞核紧密契合，类似咖啡豆在容器中的排列，这对眼睛的正常功能至关重要。在我们和斑马鱼的眼睛中，细胞的组织看起来高度结构化，常常表现出有规律的“晶体”排列，这对于处理视觉信息是必需的。观察到的斑马鱼细胞的晶体结构似乎是由于细胞核在眼睛发育过程中出现的堆积现象造成的。
这项发现超越了眼睛，表明大脑组织也经历了细胞核的堆积，从而揭示了细胞核在指导各种神经组织结构方面的新功能。这项研究进一步表明，核水平的异常可能会导致与组织结构破坏相关的疾病。每一个新见解都使我们更接近理解细胞在胚胎发育过程中构建器官的机制。
