人體是左右對稱的嗎？從外表來看當然如此，但具體到體內的很多器官，無論是器官形態還是它們在身體裡的位置，對稱性都不復存在了。比如我們知道，心臟不在身體的中軸線上，而是位於左胸前；肝臟則在身體的右側。
是什麼決定了人類和其他脊椎動物器官的不對稱性？
最新一期的《科學》雜誌讓我們對這個問題的認識更進一步。
兩項研究共同指向了早期胚胎的一個關鍵區域，揭示了不對稱性的誕生過程。
早在上世紀，科學家就對器官不對稱性的成因產生了濃厚興趣，並取得了重要發現：心臟等器官偏離中軸，與一團被稱作
left-right organizer（LRO，意為左右組織者）
的細胞簇有關。
這個結構僅在胚胎早期短暫地出現，卻決定了終生的器官分佈。
在魚類、兩棲動物、包括人和小鼠在內的部分哺乳動物體內，LRO中心區域的細胞表面長有一種
可移動的纖毛
（motile cilia）。以小鼠胚胎為例，
這些纖毛會步調一致地逆時針轉動，將細胞外基質中的流體掃向胚胎的左側——胚胎髮育過程第一次出現了左右不對稱。
而定向流動激活了影響器官位置的關鍵基因，導致了器官發育的不對稱性。
不過，故事到這裡還不完整。這裡只說了導致不對稱性的訊號（即流體定向流動）是如何產生的，卻沒有說胚胎是如何感受到這種流動的。而在最新的《科學》雜誌上，
兩項研究共同破解的正是胚胎感知定向流動的機制。
對於這個問題，學術界此前存在兩種猜想，兩種猜想都與另一種
不動纖毛
（immotile cilia）有關。前面說到，在不少動物胚胎的LRO中心區域，長有一些可移動的纖毛。而在所有脊椎動物LRO的周圍區域，還有一圈不動纖毛。它們無法像中心的可移動纖毛那樣隨意轉動，承擔的功能也與後者不同。
可移動的纖毛（綠色）與周圍的不動纖毛（粉色）
（圖片來源：Etiology and Morphogenesis of Congenital Heart Disease: From Gene Function and Cellular Interaction to Morphology, CC BY-NC 2.5）
其中一種猜想是，不動纖毛充當了
化學感測器
，可以感受到流體中的形態發生素（morphogen）——顧名思義，決定細胞分化方向的物質。另一種觀點是，不動纖毛是
機械感測器
，它們感受到流體經過時施加的機械力，最終轉化為不對稱發育。不過，苦於研究工具的限制，科學家一直無法對這兩種觀點加以區分。
在兩項最新研究中，來自美國和日本的兩支研究團隊基於光鑷——一種利用光捕獲、操控微小物體的工具，構建了各自的實驗策略，
分別對斑馬魚和小鼠胚胎開展了研究。
其中，由美國哈佛醫學院麻省總醫院Shiaulou Yuan教授領導的團隊選擇的研究物件是斑馬魚胚胎。他們建立了一個名為CiliaSPOT的高精度、可調控研究平臺，利用光鑷來操控纖毛彎曲，以模擬流體的定向流動。接下來，一個機器學習演算法對光片熒光顯微鏡捕獲的影象進行分析，這個演算法可以告訴研究者纖毛在彎曲時的響應情況。
由此，實驗填補了定向流動與器官不對稱之間的空白環節。對LRO不動纖毛施加機械力後，鈣離子的瞬時變化被啟用：
透過纖毛上的陽離子通道多囊蛋白-2（Pkd2），鈣訊號被傳遞至細胞質中，進而以定向的方式傳遞給周圍的中內胚層細胞，啟用相關基因的表達，最終造成心臟發育偏向身體左側。
不動纖毛的機械感知導致了心臟的不對稱性
（圖片來源：Lydia Djenoune, Mohammed Mahamdeh and Shiaulou Yuan）
在另一項研究中，日本科學家同樣在小鼠胚胎中發現，
在細胞外流體定向流動的作用下，LRO中的不動纖毛會沿著背腹軸變形，從而產生能傳達流動方向的鈣訊號。
由此，這些研究結果揭示了在演化上的保守機制，這個機制對於打破發育過程中的對稱性起著關鍵作用。
這兩項研究不僅進一步解釋了器官不對稱性的成因，對一些特殊人群，這些發現還有著更為實際的意義。
當這些決定器官位置的基因表達出現異常，體內的器官可能出現異位現象，這樣的缺陷與多種疾病相關
，包括內臟異位綜合徵、原發性纖毛運動障礙、先天性心臟病等。
“這項發現不僅提升了我們對決定身體發育的基礎細胞過程的理解，還可能為開發新的診斷手段開闢新道路，” Shiaulou Yuan教授指出，“此外，這項研究也為針對纖毛訊號和機械感知的靶向治療鋪平了道路。”
該論文的共同作者Scott E。 Fraser教授也指出，這些結果以及全新的研究工具為理解胚胎髮育模式提供了新的機遇。同時這項研究也提醒我們，關於纖毛訊號與生物力學對發育和疾病的影響，還有大量問題有待進一步研究。
封面圖來源：123RF
參考資料：
［1］ Lydia Djenoune et al， Cilia function as calcium-mediated mechanosensors that instruct left-right asymmetry， Science （2023）。 DOI： 10。1126/science。abq7317
［2］ Takanobu A。 Katoh et al， Immotile cilia mechanically sense the direction of fluid flow for left-right determination， Science （2023）。 DOI： 10。1126/science。abq8148
［3］ Telling left from right： cilia as cellular force sensors during embryogenesis。 Retrieved Jan。 5， 2023 from https：//www。eurekalert。org/news-releases/975791
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釋出於：上海
