Nature解开百年生物学谜题

【字体: 时间:2015年03月19日 来源:生物通

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  最近,来自英国巴斯大学、日本东京医科牙科大学和广岛大学等处的一个研究小组,解开了一个百年谜题——我们的身体如何承受地球重力并呈现其三维形状。相关研究结果发表在三月十六日的《自然》(Nature)。

  

生物通报道:最近,来自英国巴斯大学、日本东京医科牙科大学和广岛大学等处的一个研究小组,解开了一个百年谜题——我们的身体如何承受地球重力并呈现其三维形状。

100年前,数学生物学家D'Arcy Thompson预言,体型会受重力的影响。他提出,如果地球上的重力增加一倍,人类就不能两条腿走路,大多数动物会像短尾巴蜥蜴那样。

这不可能进行测试,因为直到现在,一直没有合适的实验动物模型来研究动物身体如何抵抗重力,反过来地球重力如何影响体型。

这个国际研究小组由巴斯大学再生医学中心博士Makoto Furutan-Seiki教授、Hiroshi Nishina教授和奥地利的Carl Philipp Heisenberg教授带领,他们发现了一个基因,能帮助人体抵抗重力,并示范了当该系统发生错误时会出现什么后果。延伸阅读:Cell论文解决重要生物学悖论

从2D到3D
相关研究结果发表在三月十六日的《自然》(Nature),他们发现,在青鳉鱼中当一个基因(叫做YAP)被破坏时,组织就扭曲向重力方向,也没有正确对齐,从而导致在一种扁平的、近乎二维的体型。他们发现,在人类细胞中破坏YAP基因,也能阻止细胞形成三维集群。

该研究小组发现,YAP是产生细胞内和细胞之间力量的分子机制的一个关键调节因子,从而使细胞呈现其三维形状,并且排列正确以形成复杂的器官,如眼睛。

例如,人的眼睛是由一个晶状体和一个杯状结构组成。视觉要求这个晶状体和杯状结构都有其独特的三维形状,并且晶状体排列于杯状体的中心。在这之前科学家们一直深信,存在一种机制将3D组织形状和组织定位联系起来。

Furutani-Seiki博士解释说:“YAP系统的工作原理,有点像那些拳击木偶玩具,当你用大拇指推动它时会倒塌。”

“通过识别YAP的这个新功能,我们证明了‘我们身体如何呈现其三维形状’的一种关键机制。简单的说,没有YAP基因,我们的内外都将变得不同——或许更像短腿的蜥蜴,像D'Arcy Thompson所写的。令人兴奋的是,这一发现可能带领很多领域、特别是再生医学领域的发展。”

越来越多的器官用于移植
这项工作,是由英国医学研究委员会与日本科学技术机构资助,也可以为全世界制备复杂器官用于移植(例如眼睛)的组织工程师们,提供有益的见解。这个团队也发现,在发育的胚胎中,这一相同机制是组织正确定位的原因。

本文共同作者、巴斯大学的Stefan Bagby博士评论说:“目前,我们可以在实验室中培育三维的细胞集群,但无法复制单个组织的精确结构和多个组织的定位,这是制备复杂器官(如眼睛或心脏)所必需的。我们希望,根据YAP在组织定位中的重要作用,我们就能实现‘在实验室制备复杂器官用于移植’的目标。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
YAP is essential for tissue tension to ensure vertebrate 3D body shape
Abstract:Vertebrates have a unique 3D body shape in which correct tissue and organ shape and alignment are essential for function. For example, vision requires the lens to be centred in the eye cup which must in turn be correctly positioned in the head. Tissue morphogenesis depends on force generation, force transmission through the tissue, and response of tissues and extracellular matrix to force. Although a century ago D’Arcy Thompson postulated that terrestrial animal body shapes are conditioned by gravity, there has been no animal model directly demonstrating how the aforementioned mechano-morphogenetic processes are coordinated to generate a body shape that withstands gravity. Here we report a unique medaka fish (Oryzias latipes) mutant, hirame (hir), which is sensitive to deformation by gravity. hir embryos display a markedly flattened body caused by mutation of YAP, a nuclear executor of Hippo signalling that regulates organ size. We show that actomyosin-mediated tissue tension is reduced in hir embryos, leading to tissue flattening and tissue misalignment, both of which contribute to body flattening. By analysing YAP function in 3D spheroids of human cells, we identify the Rho GTPase activating protein ARHGAP18 as an effector of YAP in controlling tissue tension. Together, these findings reveal a previously unrecognised function of YAP in regulating tissue shape and alignment required for proper 3D body shape. Understanding this morphogenetic function of YAP could facilitate the use of embryonic stem cells to generate complex organs requiring correct alignment of multiple tissues.

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