学术背景

血管网络的形成和维持是胚胎发育和组织再生中的关键过程，涉及多种生物物理力的调控。内皮细胞（Endothelial Cells, ECs）在血管生成（angiogenesis）和血管发生（vasculogenesis）中扮演着核心角色，而细胞骨架的收缩力（actomyosin contractility）在这些过程中尤为重要。然而，关于细胞骨架在不同细胞区室中的组织和调控机制，尤其是在血管网络形成过程中的作用，目前仍知之甚少。

脑海绵状血管畸形（Cerebral Cavernous Malformations, CCMs）是一种常见的血管异常，通常由KRIT1、CCM2和PDCD10基因的突变引起。这些基因的突变会导致血管壁变薄、血管扩张，进而引发头痛、癫痫和中风等症状。尽管CCMs的病理机制已有一定研究，但其具体的分子机制仍不明确，尤其是在内皮细胞间相互作用和血管腔形成中的作用。

本研究以斑马鱼（zebrafish）为模型，探讨了CCM相关基因HEG1和KRIT1在血管生成中的作用，特别是它们在调控内皮细胞间相互作用和血管腔形成中的机制。通过结合活体成像、遗传分析和光遗传学工具，研究揭示了HEG1和KRIT1在维持内皮细胞间界面和连续血管腔形成中的关键作用。

论文来源

本论文由Jianmin Yin、Ludovico Maggi、Cora Wiesner、Markus Affolter和Heinz-Georg Belting共同撰写，作者均来自瑞士巴塞尔大学（University of Basel）的细胞生物学系。论文于2024年9月9日在线发表在《Angiogenesis》期刊上，DOI为10.1007/s10456-024-09945-5。

研究流程与结果

研究流程

1. 斑马鱼模型与基因突变体构建
   研究使用斑马鱼作为实验模型，构建了HEG1和KRIT1的突变体。通过转基因技术，研究人员在斑马鱼胚胎中表达了多种荧光标记蛋白，如HEG1-GFP、KRIT1-GFP等，以便进行活体成像和细胞间相互作用的动态观察。

2. 活体成像与光遗传学实验
   研究人员对斑马鱼胚胎进行了活体成像，观察了血管生成过程中内皮细胞间的相互作用和血管腔的形成。通过光遗传学工具，研究人员在特定区域激活了RhoA信号通路，以研究其对细胞间界面和血管腔形成的影响。

3. 图像分析与数据处理
   使用ImageJ和MATLAB对活体成像数据进行分析，量化了细胞间界面的形状变化、肌球蛋白（myosin）的分布以及血管腔的扩张和收缩动态。

主要结果

1. HEG1和KRIT1在细胞间界面形成中的作用
   研究发现，HEG1和KRIT1突变体中的内皮细胞间界面呈现扭曲和碎片化的特征，表明这些基因在维持细胞间界面的稳定性中起关键作用。通过活体成像，研究人员观察到HEG1和KRIT1突变体中的细胞间界面缺乏肌球蛋白的收缩力，导致界面扭曲和血管腔形成受阻。

2. 振荡性收缩力在血管腔形成中的作用
   在野生型斑马鱼胚胎中，研究人员观察到内皮细胞间界面存在振荡性收缩现象，这种收缩力有助于细胞间界面的拉直和多余界面的消除。而在HEG1和KRIT1突变体中，这种振荡性收缩力缺失，导致细胞间界面扭曲和血管腔无法连续形成。

3. 光遗传学激活RhoA信号通路
   通过光遗传学工具，研究人员在KRIT1突变体中激活了RhoA信号通路，成功恢复了细胞间界面的收缩力，并拉直了扭曲的界面。这一结果表明，RhoA信号通路在维持细胞间界面和血管腔形成中具有重要作用。

结论与意义

本研究发现，HEG1和KRIT1通过调控内皮细胞间的振荡性收缩力，维持了细胞间界面的稳定性，从而促进了连续血管腔的形成。这一发现不仅揭示了CCM相关基因在血管生成中的分子机制，还为CCM的治疗提供了新的思路。通过恢复细胞间界面的收缩力，可能有助于改善CCM患者的血管异常。

研究亮点

1. 揭示了HEG1和KRIT1在血管生成中的关键作用：研究发现，HEG1和KRIT1通过调控内皮细胞间的振荡性收缩力，维持了细胞间界面的稳定性，促进了连续血管腔的形成。

2. 创新性地结合了活体成像和光遗传学工具：通过活体成像和光遗传学工具，研究人员动态观察了内皮细胞间的相互作用，并成功恢复了突变体中的细胞间界面收缩力。

3. 为CCM的治疗提供了新的思路：通过恢复细胞间界面的收缩力，可能有助于改善CCM患者的血管异常，为未来的治疗策略提供了理论基础。

其他有价值的信息

研究还发现，血流动力学力（hemodynamic forces）在血管腔形成中起到了补充作用，特别是在突变体中，血流可以促进扭曲界面的拉直和血管腔的连续形成。这一发现进一步强调了生物物理力在血管生成中的重要性。