羊膜动物原肠胚形成中左右对称性破缺的早期机制研究
左右不对称性在胚胎发育中的早期起源
学术背景
在动物界中，双侧对称性（bilateral symmetry）是一种广泛存在的身体结构特征。然而，脊椎动物虽然在外观上表现出双侧对称性，但其内部器官却呈现出左右（left-right, LR）不对称性。这种不对称性在胚胎发育中起着至关重要的作用，特别是在羊膜动物（如鸟类和哺乳动物）中，胚胎在发育过程中会从双侧对称性转变为左右不对称性。近年来，科学家们对这一转变的机制进行了深入研究，尤其是Hensen’s node（Hensen节点）在左右不对称性形成中的作用。然而，关于左右不对称性最早何时出现以及其背后的物理机制，仍然存在许多未解之谜。
本研究旨在通过鸡胚胎作为模式系统，揭示左右对称性破缺（LR symmetry breaking）的早期起源。研究人员利用生物物理学方法量化了胚胎发育早期的细胞流动，发现左右不对称性在Hensen’s节点形成之前就已经出现。这一发现挑战了现有的模型，表明物理机制在这一关键的生物模式化过程中可能发挥了重要作用。
论文来源
本研究的作者包括Rieko Asai、Shubham Sinha、Vivek N. Prakash和Takashi Mikawa，分别来自加州大学旧金山分校、日本熊本大学国际医学研究中心以及迈阿密大学的物理系、生物系和海洋生物与生态学系。该研究于2025年2月3日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，题为《Bilateral cellular flows display asymmetry prior to left–right organizer formation in amniote gastrulation》。
研究流程与结果
1. 研究流程
a) 细胞流动的量化分析
研究人员通过在早期鸡胚胎中进行实时成像实验，追踪了从原条（primitive streak, PS）形成前的阶段到Hamburger-Hamilton分期（HH3阶段）的细胞流动。为了量化细胞流动，研究人员使用了粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV），这是一种基于流体动力学的计算方法，能够通过分析时间序列图像中的粒子运动来量化流速场。
b) 左右不对称性的检测
为了检测细胞流动中的左右不对称性，研究人员对流动速度、涡度（vorticity）等生物物理参数进行了时间平均分析。他们发现，细胞流动在早期胚胎发育中表现出显著的不对称性，特别是在右侧（right side）的流动速度更快，涡度也更大。
c) 有丝分裂抑制实验
为了探讨细胞分裂对左右不对称性的影响，研究人员使用了抑制有丝分裂的药物aphidicolin处理胚胎，观察了在缺乏原条形成的情况下，细胞流动的变化。结果显示，尽管原条的形成被抑制，但右主导的细胞流动模式仍然存在。
2. 主要结果
a) 细胞流动的左右不对称性
研究发现，细胞流动在胚胎发育的早期阶段就已经表现出左右不对称性。特别是在原条形成后约6小时，右侧的流动速度和涡度显著高于左侧。这一结果表明，左右不对称性的出现早于Hensen’s节点的形成，提示了物理机制在早期胚胎发育中的重要作用。
b) 有丝分裂抑制的影响
在有丝分裂抑制的胚胎中，尽管原条的形成被显著抑制，但细胞流动仍然表现出右主导的模式。这表明，右主导的细胞流动模式并不依赖于细胞分裂，而是可能由其他机制（如细胞固有的手性）所驱动。
c) 生物物理参数的量化
通过对流动速度、涡度等参数的量化分析，研究人员发现，左右不对称性在胚胎发育的早期阶段就已经建立。这一发现挑战了现有的模型，表明左右不对称性的起源可能比预期的更早，并且可能与细胞流动的物理特性密切相关。
结论与意义
本研究揭示了鸡胚胎发育中左右不对称性的早期起源，表明细胞流动的物理机制在左右对称性破缺中发挥了重要作用。这一发现不仅为理解胚胎发育的早期机制提供了新的视角，还为研究其他物种中的左右不对称性起源提供了重要线索。
研究亮点
- 早期不对称性的发现：本研究发现，左右不对称性在Hensen’s节点形成之前就已经出现，挑战了现有的发育生物学模型。
- 物理机制的揭示：通过生物物理学方法，研究发现细胞流动的物理特性在左右不对称性形成中可能发挥了关键作用。
- 有丝分裂抑制实验：实验表明，尽管细胞分裂被抑制，右主导的细胞流动模式仍然存在，提示了左右不对称性可能由细胞固有的手性所驱动。
其他有价值的信息
研究人员还提到，未来的研究可以进一步探讨细胞流动的左右不对称性是否与其他物种中的左右不对称性机制相关。此外，利用更高灵敏度的RNA检测技术（如杂交链式反应，Hybridization Chain Reaction, HCR）和空间转录组学（spatial transcriptomics）等技术，可以更精确地揭示基因表达的空间模式，从而进一步理解左右不对称性的分子机制。
本研究不仅为发育生物学领域提供了新的见解，还为未来研究胚胎发育中的物理机制开辟了新的方向。