肌肉收缩驱动线虫胚胎表皮细胞连接极性延伸的力学-化学耦合机制

本研究通过光片显微成像、激光切割和FRAP等技术，揭示了秀丽隐杆线虫(C. elegans)胚胎中肌肉收缩通过力学-化学耦合机制促进表皮细胞间粘附连接(E-cadherin)极性延伸的新机制。研究发现肌肉收缩产生的周期性力学刺激通过降低连接处线张力(line tension)和促进E-cadherin更新(turnover)，驱动前-后(AP)方向连接特异性延伸，为理解多组织协同形态发生提供了新见解。

　　

在生命发育过程中，不同组织如何通过力学相互作用协调形态发生是一个根本性科学问题。秀丽隐杆线虫(C. elegans)胚胎为研究这一问题提供了理想模型，其表皮细胞与肌肉组织通过半桥粒(hemidesmosomes)紧密连接。虽然已知肌肉活动对胚胎伸长至关重要，但肌肉收缩如何特异性促进前-后(anterior-posterior, AP)方向粘附连接(adherens junctions)延伸的机制尚不清楚。

来自法国索邦大学等机构的研究团队在《Developmental Cell》发表研究，通过多学科方法揭示了这一力学-化学耦合机制。研究人员首先利用光片显微镜(lightsheet microscopy)观察到肌肉收缩驱动胚胎旋转的动力学过程：四排肌肉的交替收缩使胚胎沿AP轴旋转，导致表皮细胞连接在折叠(低张力)和伸展(高张力)状态间周期性转换。激光切割实验证实AP方向连接在伸展状态下张力显著增加。通过荧光漂白恢复(FRAP)技术分析E-cadherin::GFP的动力学，发现肌肉收缩促进E-cadherin更新，降低"不动分数"(immobile fraction)。结合力学-化学模型，研究阐明E-cadherin运输通过降低线张力(line tension)促进AP方向连接延伸，而肌肉收缩则充当"组织拉伸装置"。

关键技术方法包括：1) 光片显微成像追踪肌肉收缩和连接动态；2) 激光切割测量连接张力；3) 荧光漂白恢复(FRAP)分析E-cadherin更新动力学；4) 构建力学-化学模型模拟连接延伸过程；5) 使用unc-112(RNAi)等肌肉缺陷突变体验证机制。

研究结果主要包括：

1. 肌肉收缩驱动胚胎旋转和连接形变
   通过标记DLG-1::RFP观察连接动态，发现肌肉收缩导致胚胎旋转和表皮细胞周期性形变。定量分析显示AP方向连接长度随每次旋转增加3.1%，而背-腹(DV)方向连接长度保持恒定。

2. 力学刺激调节连接张力
   粗糙度(roughness)分析显示AP方向连接在伸展状态下更平滑。激光切割实验证实这些连接在伸展状态(向外旋转时)回缩距离(0.7μm)显著大于折叠状态(0.4μm)，表明张力增加。

3. E-cadherin更新受肌肉活动调控
   FRAP分析发现肌肉缺陷型(unc-112(RNAi))胚胎中E-cadherin的"不动分数"增加50%。动力学模型拟合显示头部AP方向连接E-cadherin外排率(k_on^AP=0.16 min^-1)高于DV方向(k_on^DV=0.1 min^-1)。

4. 力学-化学模型揭示延伸机制
   建立的3D粘弹性模型成功预测了野生型和突变体中细胞变形，表明E-cadherin浓度通过降低线张力(λ)促进AP方向延伸，而肌肉拖曳力(f)和DV方向肌球蛋白各向异性(μγ₀)共同决定变形模式。

5. E-cadherin运输调控延伸过程
   p120-catenin/JAC-1敲除导致E-cadherin更新减少，幼虫孵化长度显著缩短(230μm vs 野生型240μm)，验证了模型预测。

这项研究首次阐明肌肉收缩通过力学-化学耦合机制促进极性连接延伸：周期性力学刺激增加E-cadherin更新，降低线张力，在表皮张力各向异性背景下驱动AP方向特异性延伸。该发现不仅深化了对多组织协同形态发生的理解，还为类器官芯片(organ-on-chip)中组织拉伸装置的工程设计提供了仿生灵感。与果蝇(Drosophila)等系统中依赖肌球蛋白流(actomyosin flows)的机制不同，该研究揭示了一种由相邻组织力学活动驱动形态发生的新范式，为发育力学领域提供了重要补充。