《SCIENCE ADVANCES》:Timely neurogenesis drives the transition from nematic to crystalline nuclear packing during retinal morphogenesis
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在器官發育中,假復層上皮(PSE)的核堆積對組織形態發生的影響尚不明確。研究人員以斑馬魚視網膜為對象,發現核堆積密度隨發育增加,及時神經發生很關鍵。這有助于理解器官形態發生機制,為相關研究提供重要依據。
在生命的奇妙旅程中,器官的發育宛如一場精心編排的舞蹈,細胞的增殖、分化和遷移等過程必須精確配合,才能構建出功能完備的器官。假復層上皮(PSE)作為眾多器官的前體,廣泛存在于生物體的發育進程中。它由單層沿頂 - 基底軸拉長的細胞組成,細胞核在細胞周期的大部分時間里占據著沿頂 - 基底軸的不同位置。隨著發育的推進,PSE 中的細胞核越來越密集,然而,這種密集的核堆積對組織形態發生的具體影響卻如同迷霧,尚未被完全揭開。此前的研究大多聚焦于 PSE 中細胞形狀變化和核運動對發育的影響,卻較少關注核堆積這一關鍵特征及其潛在作用。為了驅散這片迷霧,來自國外的研究人員踏上了探索之旅,他們聚焦于斑馬魚的視網膜,深入研究核堆積在視網膜形態發生中的奧秘。最終,他們的研究成果發表在《SCIENCE ADVANCES》上,為我們理解器官發育機制帶來了新的曙光。
研究人員開展的這項研究主要運用了以下幾種關鍵技術方法:首先是 3D 實例分割技術,通過對斑馬魚視網膜神經上皮(RNE)中細胞核進行精確的 3D 實例分割,能夠準確地分析細胞核的形狀、大小和排列情況;其次是基于深度學習的 StarDist - 3D 模型,利用該模型對不同發育階段的視網膜進行分析,有效提取了核形狀和大小變化等關鍵特征;此外,還運用了統計分析方法,對實驗數據進行嚴謹的分析,從而得出可靠的結論 。
下面讓我們詳細了解一下研究的具體結果:
- Instance 3D segmentation of nuclei in the zebrafish RNE:研究人員利用 tg (hsp70:H2B - RFP) 斑馬魚轉基因系標記細胞核,通過手動注釋訓練 StarDist - 3D 模型,實現對斑馬魚 RNE 中細胞核的 3D 實例分割,并建立了圖像分析流程來提取核形狀描述符,探索核在 RNE 中的排列。
- Nuclear packing in the retinal PSE reaches theoretical close packing densities over development, while nuclei keep an ellipsoidal shape:在視網膜 PSE 發育過程中,核體積在 24 - 42hpf 逐漸減小,核濃度和核體積分數在 30 - 48hpf 逐漸增加,到 48hpf 時核體積分數接近理論極限,且大多數核保持橢球形,核形狀和大小變化與核堆積及神經元分層有關。同時,更細長的核傾向于接觸更多鄰居,核在神經元分層開始時接近極限隨機密堆積(RCP)密度。
- Nuclei are arranged in a nematic - like order in the proliferative phase:在增殖階段,核體積分數和接觸數增加,但核在組織內呈位置無序狀態,類似液體。不過,由于核的各向異性形態和神經上皮細胞的拉長,核在位置無序的同時呈現出取向有序,類似于液晶中的向列相,即雙軸向列有序。
- Nematic - like order is a hallmark of pseudostratification also at looser packing regimes:研究人員對斑馬魚發育中的后腦進行同樣的 3D 分析,發現后腦 PSE 的核體積分數和核濃度在神經元分層前未增加,核更接近球形,但核仍呈向列有序排列,這表明向列有序排列在不同 PSE 中是保守的。
- Neurogenesis coincides with nuclear shape remodeling and leads to aligned crystal - like arrangements within the laminating retina:在視網膜神經元分層過程中,不同神經元層的核形狀和大小發生變化,如視網膜神經節細胞層(RGL)和內核層(INL)的核更接近球形,外核層(ONL)的核呈細長桿狀。同時,核堆積達到理論極限密度,排列從向列相轉變為更有序的晶體狀排列,且核在各層仍保持沿徑向軸的強取向排列。
- Modelled material properties of the developing RNE switch between a cellular - dominated and nuclear - dominated states, affecting tissue shape:通過建立模型,研究人員發現神經元分層能防止視網膜 PSE 過早進入核主導的機械狀態,避免組織屈曲失穩,促進從位置無序到有序的轉變,維持 RNE 處于細胞主導的內部狀態,從而保證視杯的正確生長和縮放。
- Blocking neurogenesis interferes with nuclear shape and size changes and leads to buckling of the retinal PSE:研究人員利用 HDAC1 morpholino 敲低(KD)方法延遲神經元分層,發現 HDAC1 morphants 的視網膜 PSE 出現屈曲,核形狀和大小變化異常,無法達到正常的核堆積密度,這表明及時的神經發生對維持組織正常形態至關重要。
在討論部分,研究人員指出,他們通過深度學習方法實現了對視網膜和后腦神經上皮中核堆積的準確 3D 分析,揭示了核堆積從向列相到晶體狀排列的轉變過程及其對形態發生的影響。核的向列有序排列可能是假復層上皮的一個優勢特征,有助于核在高堆積密度下沿頂 - 基底軸運動,維持組織的流動性。同時,神經元分層過程中核形狀和排列的變化對視網膜的透明度和光傳播具有重要意義。此外,研究還發現,當神經發生受阻時,視網膜 PSE 會出現嚴重的組織變形,這進一步強調了及時神經發生對維持組織正常形態的關鍵作用。
總的來說,這項研究為我們深入理解器官發育過程中核堆積與組織形態發生的關系提供了重要線索,揭示了假復層上皮中核排列的規律及其在發育中的作用機制。未來,研究人員可以進一步比較不同物種神經上皮中核堆積的差異,探索機械反饋和不穩定性對組織形狀的影響,這將有助于我們更全面地了解神經發育的調控機制,為相關疾病的研究和治療提供新的思路和方向。