I en överraskande upptäckt med viktiga implikationer för utvecklingsbiologi och regenerativ medicin har RIKENs biologer lärt sig hur mekaniska krafter styr bildandet av ögonen i kycklingembryon. Deras forskning publiceras i Science Advances .

Frisk embryonal utveckling styrs genom det komplexa samspelet mellan olika genetiska, kemiska och fysiska "instruktioner". Hos embryon från ryggradsdjur härstammar synsystemet från en struktur som kallas den optiska vesikeln. Detta bildas i ena änden av neuralröret, som är stamfadern till hela nervsystemet.

Under normal utveckling sträcker sig den optiska vesikeln i sidled i båda riktningarna, och två ögon bildas slutligen i ändarna av dessa projektioner. När denna process går snett, misslyckas de vänstra och högra optiska vesiklerna att förlängas. Istället smälter deras spetsar samman i mitten av ansiktet och bildar ett enda öga.

Fem forskare, alla vid RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, satte sig för att upptäcka hur funktionsfel i en gen som kallas sonic hedgehog (SHH) bidrar till denna "cyklopiska" fosterskada.

Teamledaren Yoshihiro Morishita noterar att hundratals artiklar har beskrivit SHH:s roll i att reglera cellproliferation och differentiering under utvecklingen av ett brett spektrum av organ, inklusive ögonen. Men det är oklart exakt hur SHH hjälper till att orkestrera dynamisk vävnadsdeformation för att bilda organspecifika morfologier.

För att undersöka detta jämförde teamet mönstret för kollektiv cellrörelse och dess bidrag till vävnadsdynamik under ögonutveckling hos friska kycklingembryon med det hos embryon som behandlats med en SHH-hämmare.

Till sin förvåning lärde de sig att SHH-signalering reglerar avkänning och respons på fysisk kraft, och styr riktningen för cellomläggning och rörelse under den givna stressmiljön i framhjärnans vävnad.

"Stressriktningen skiljer sig beroende på platsen i vävnaden, vilket i sin tur ändrar riktningen och graden av förlängning och krympning, vilket resulterar i att den önskade formen skapas", förklarar Morishita.

När denna avkännings- och svarsförmåga störs av SHH-hämmaren, vet de optiska vesikelcellerna inte längre vart de ska ta vägen och misslyckas med att genomgå den laterala förgrening som krävs för att producera ett par funktionella ögon.

Denna upptäckt är spännande av flera anledningar. Given the prominent role SHH plays in development of many organs, mechanical sensing and response may be a far more important driver of tissue organization and formation than previously recognized. By extension, "randomized cellular behaviors due to loss of mechanosensation might be a common cause of different congenital malformations," Morishita notes.

A deeper understanding of this mechanism could also benefit researchers trying to recapitulate organ formation in the lab as a tool for disease research or the development of transplantable tissues. + Utforska vidare

Team uncovers the underlying mechanisms of 3-D tissue formation