挑战原模型：以斑马鱼内耳半规管发育为例揭示胞外透明质酸和细胞系绳驱动组织形态发生

大多数器官，包括肾脏、肺、肠道和心脏等，一开始时都只是简单的上皮细胞，然后进行形态发生以创建其功能所需的复杂形状，这一过程如何发生对疾病和再生医学具有重要意义。大多数研究都将肌动球蛋白网络视为在组织形态发生过程中为细胞变形提供动力的机械力的主要生产者[1]。细胞外基质（ECM）附着在大多数组织上，通过整合组织力和提供刚度，长期以来一直被认为是组织力学的重要决定因素，在形态发生期间，ECM 可以通过不同的刚度抵抗各向同性力来创建各向异性形状[2]，而胶原纤维组装成具有高拉伸强度的凝胶的能力是ECM 在形态发生中发挥被动弹性作用的关键[3]。

透明质酸（HA）是另一种广泛使用的ECM成分，但其物理特性与胶原蛋白、纤连蛋白和层粘连蛋白有很大不同。HA 是一种长而柔韧的多糖，具有高密度的羧酸盐基团，在生理条件下大多带负电荷并由钠离子平衡。由于这种化学性质，HA 聚合物往往遇水膨胀并形成粘弹性水凝胶，其质量分数和拉伸强度较低，但通过膨胀产生压缩渗透力的倾向很高[4]。尽管HA在皮肤填充、药物输送和关节润滑等方面的应用较广，但其在组织形态发生中的作用尚未得到充分研究。

所有有颌脊椎动物的每只内耳都有三个相互正交的半规管（semicircular canal, SCC），它们的形状需要保持良好的形状才能感知平衡和加速度[5]，SCC的形态发生是脊椎动物发育中最复杂和最精确的事件之一，但由于在大多数模式生物中难以接近，对于它的潜在机制仍然知之甚少。斑马鱼没有中耳和外耳，内耳在颅骨骨化之前形成，因此在光学和物理上均具有很好的可及性，从而成为研究SCC形态发生的极好模式生物。

2021年12月21日，来自美国哈佛医学院的Sean G. Megason团队在Cell杂志上发表了一篇题为Extracellular hyaluronate pressure shaped by cellular tethers drives tissue morphogenesis 的文章，研究发现斑马鱼的半规管由耳上皮（芽）的内陷延伸并融合形成每个管的中心，这一过程不需要传统的肌动球蛋白驱动，而是由尿苷5’-二磷酸脱氢酶（Ugdh）和透明质酸合成酶 3（Has 3）产生的透明质酸的局部分泌驱动了管的形态发生。带电的透明质酸聚合物随水渗透膨胀并产生各向同性的细胞外压力，使上覆的上皮变形为芽，而将芽成形为管所需的机械各向异性由肌动球蛋白和富含E-钙粘蛋白的膜系绳的极化分布所赋予。总之，该研究颠覆了大多数将肌动球蛋白收缩性作为组织形态发生驱动力的观点，强调由各向异性组织刚度形成的透明质酸压力是一种促进形态变化的机制。

先前关于SCC发育的研究都是通过低分辨率实时显微镜或CT图像进行的静态成像完成的，在这篇文章中，研究人员利用转基因斑马鱼表达明亮的膜定位荧光蛋白来进行高时空分辨率下进行长期成像。从下面的图片中可以看到当来自耳上皮六个不同区域的细胞依次形成突入腔内的芽时，形态发生开始，当芽相互融合形成三个柱子时，就会发生拓扑变化，通过耳囊（otic vesicle, OV）管腔划分未来前、后和侧SCC中心。

研究人员通过Edu染色排除了局部细胞增殖以及基于细胞重排的收敛/延伸机制作为出芽原因的可能性。接下来，作者使用激光介导的靶向消融OV中的单个细胞来破坏上皮屏障，导致管腔容积和压力损失，既不影响新芽的开始，也不影响现有芽的延伸。有趣的是，一个或两个芽细胞的消融足以阻止该芽的延伸，而相邻的未消融的芽继续正常形态发生，表明每个芽的形态发生是局部启动的。

在青蛙内耳中，HA被证明是SCC形成所必需的[6]，但哪些细胞负责HA的产生以及HA在SCC形成过程中如何产生形态变化仍不清楚。研究人员使用多重荧光原位杂交发现Ugdh和Has 3在形态发生过程中在OV的芽细胞中局部、均匀和瞬时表达，两者的敲低或功能破坏会影响出芽和SCC形成。研究人员还发现在芽延伸期间，产生HA的芽细胞在径向轴上变薄，并在圆周和纵向轴上拉伸，同时保持它们的体积不变。若用HAase处理会导致芽中细胞拉伸的丧失。这些数据强调了由于渗透膨胀，透明质酸对周围组织的压力用于为细胞拉伸和上皮出芽提供动力。

然而，静态流体中的压力在空间上是均匀的，芽如何在纵轴上各向异性生长呢？根据高分辨率成像并通过镶嵌膜标记证实，研究人员观察到富含肌动球蛋白和E-钙粘蛋白的膜系绳在基底表面切向延伸。延时成像显示系绳在最终几分钟断裂和缩回，这与相邻膜角度的显着扩大和相邻细胞距离的增加有关。在HAase处理的胚胎中未观察到系绳断裂，导致系绳持续时间更长，从而表明 HA 诱导的压力产生了断裂系绳所需的上皮应力。那么这种细胞系绳是否对芽形状的各向异性负责呢？研究人员观察到在芽延伸过程中，这种系绳数量逐渐增加，它们的各向异性与芽的各向异性纵横比相关，而抑制它们的张力之后，芽会松弛呈半球形。

总的来说，以前对组织形态发生的研究通常将肌动球蛋白收缩性归结为力产生过程，而这项研究挑战了这个标准模型，以斑马鱼内耳SCC为例提出细胞外透明质酸渗透膨胀带来的压力与细胞系绳的各向异性特性相结合，可以作为在发育过程中塑造组织形态的广泛适用机制。

参考文献：

1. Heisenberg, C.P., and Bella?¨che, Y. (2013). Forces in tissue morphogenesis and patterning. Cell 153, 948–962.

2. Dzamba, B.J., and DeSimone, D.W. (2018). Chapter Seven - Extracellular Matrix (ECM) and the Sculpting of Embryonic Tissues. In Current Topics in Developmental Biology, E.S. Litscher and P.M. Wassarman, eds. (Academic Press), pp. 245–274.

3. Chaudhuri, O., Cooper-White, J., Janmey, P.A., Mooney, D.J., and Shenoy, V.B. (2020). Effects of extracellular matrix viscoelasticity on cellular behaviour. Nature 584, 535–546.

4. Cowman, M.K., Schmidt, T.A., Raghavan, P., and Stecco, A. (2015). Viscoelastic Properties of Hyaluronan in Physiological Conditions. F1000Res. 4, 622.

5. Higuchi, S., Sugahara, F., Pascual-Anaya, J., Takagi, W., Oisi, Y., and Kuratani, S. (2019). Inner ear development in cyclostomes and evolution of the vertebrate semicircular canals. Nature 565, 347–350.

6. Haddon, C.M., and Lewis, J.H. (1991). Hyaluronan as a propellant for epithelial movement: the development of semicircular canals in the inner ear of Xenopus. Development 112, 541–550.