各向异性拉伸调控水螅多细胞聚集体中肌动蛋白纤维的自组织取向

本研究揭示了水螅（Hydra）再生过程中肌动蛋白（actin）纤维从无序到有序的动态转变机制。通过定量分析发现，肌动蛋白网络通过有序域（ordered domains）的生长和融合实现对称性破缺，而各向异性拉伸（anisotropic stretch）能在无头部组织者（Wnt3 head organizer）参与的情况下直接诱导纤维取向。该研究为发育过程中力学-化学耦合（mechanochemical coupling）的自组织模式提供了新见解。

　　

肌动蛋白纤维的取向与位置有序性随时间增强

水螅聚集体再生过程中，肌动蛋白纤维从完全无序状态逐渐形成显著的平面排列模式。通过固定样本的共聚焦显微镜成像和定量分析发现，纤维的取向有序参数（nematic order parameter, S=?cos(2θ)?）从16小时后的0.47±0.05提升至115小时后的0.77±0.06，相关长度（correlation length）从17.2±3.6 μm增至94±22 μm。同时，位置有序性（smectic order parameter）虽增幅较小（0.108→0.172），但纤维间距稳定在3.42±0.15 μm，形成类似近晶相（smectic phase）的连续超细胞结构。这种有序性增强伴随纤维跨细胞边界的无缝连接（图1E），且晚期聚集体中可见+1/2和-1/2向错缺陷（defects）的共存（图1F），表明近晶相特性阻碍了缺陷的快速融合。

向列有序增加的时空动态

活体光片显微镜观测显示，肌动蛋白有序性提升呈现空间异质性。26-46小时期间，高有序域（order parameter>0.6）通过融合事件扩大面积（图2F-G），最终形成被线缺陷（line defects）分隔的少数大域。域生长速率显著高于均匀增序模型的预测值（图2H），表明局部细胞间相互作用（如机械力或Wnt信号）驱动了有序化。值得注意的是，组织膨胀-塌陷循环（inflation-deflation cycles）会导致瞬时有序性波动，但长期趋势不受影响。

组织拓扑与几何扰动的影响

通过激光穿孔或尼龙线穿刺引入组织拓扑缺陷（图3A-D）发现，仅当伴随组织损伤时，纤维取向会轻微偏向平行于穿刺轴（50% vs 正交取向）。而通过离心制备的高长径比“香肠”聚集体（图3E-H）中，尖端区域纤维显著平行于长轴排列（5倍于正交取向），但中部无此偏好。进一步分析表明，这种偏向源于头部组织者（+1缺陷）被吸引至尖端，而非曲率直接调控。

拉伸无需Wnt3头部组织者即可定向肌动蛋白

在琼脂糖约束实验中（图4A-F），局部各向异性拉伸（anisotropic stretch）使纤维在5.3±3.5小时内快速沿拉伸方向排列，且该效应在颈区持续数日。RNA原位杂交证实，拉伸诱导的纤维取向无需预先存在的Wnt3头部组织者（图4G-H）。有趣的是，水螅胚胎孵化过程（图4J）同样显示拉伸区肌动蛋白平行排列，提示该机制可能参与胚胎体轴形成。

讨论：力学-化学耦合的自组织模型

研究提出两阶段模型（图4I）：早期通过局部相互作用形成有序域，后期组织拉伸促进域融合并打破全局对称性。各向异性拉伸作为力学线索，可独立于Wnt信号直接指导纤维排列，而近晶相特性则稳定了长程有序结构。这一发现不仅拓展了对发育中力学反馈（mechanical feedback）机制的理解，也为类器官构建等组织工程应用提供了新思路。与哺乳动物上皮细胞（epithelial cells）的向列排列不同，水螅肌动蛋白网络的近晶相特性可能代表更高级别的组织原则，其与Wnt通路（Wnt pathway）的交互机制仍需深入探索。