Cell | 机械模块揭示组织力学如何驱动形态演化|cell|张力|机械模块|极性|组织力学

撰文 |Sure

长期以来，生物形态演化的研究主要关注遗传基础，尤其是基因调控网络如何改变发育程序并最终产生不同形态【1,2】。这个方向已经积累了大量成果，例如不同物种之间基因调控网络如何重塑、关键发育基因如何发生表达边界变化等。但是，形态并不是只由基因表达图谱决定的。一个器官或个体形状的形成，实际上来自多层因素共同作用：遗传模式决定细胞命运和区域身份；时空性基因表达差异定义不同区域细胞的性质；形态发生过程中组织通过细胞集体行为进行物理重塑；环境因素如温度、营养、力学环境等也能发挥作用【3-6】。因此，单纯研究哪些基因不同，并不能直接回答：这些分子变化是如何在组织尺度上转化为力学变化，并最终塑造不同形状的？

现有研究通常有三类偏向：比较不同物种的分子图谱；关注一些离散分子变化；分析个别细胞事件，如细胞形状变化、增殖或凋亡。但真正决定形态的是组织尺度上的力学组织方式。也就是说，形态变化并不是若干单个细胞事件的简单相加，而是取决于：张力如何在组织内空间分布、材料性质（如弯曲刚度）如何沿轴向变化、边界条件如何约束组织变形以及主动收缩力如何在组织中形成有序模式。目前对于这一问题仍缺少一个系统性的解释。

2026年3月20日，来自德国欧洲分子生物学实验室的 Aissam Ikmi 课题组与合作者在 Cell 上发表了论文 Deciphering mechanical determinants of morphological evolution 。本研究揭示刺胞动物浮浪幼虫形态多样性的产生可以归因于若干组织尺度机械模块的重组与调控，并提出 M echanotype框架来系统解释形态演化中的力学决定因素。

机械生物学已经证明，许多形态发生过程并不是由单个细胞自主完成，而是由超细胞尺度的力学模式驱动。这里的超细胞尺度指的是介于单细胞和整个器官之间的尺度结构，例如：成片上皮的整体弯曲、一个区域内细胞骨架张力的定向排列、组织某一区域材料刚度的系统性提高等。这些现象已在很多系统中被证明，但这些研究多集中于单个物种、单个发育事件。缺少一个统一的比较框架，用来回答：不同物种是否通过相同的力学模块实现相似形态？某种形态特征是否由单一力学参数主导，还是多个参数共同决定？以及形态演化是否在机械层面存在可量化的保守性或独立演化机制？为了解决这些问题，作者提出了 M echanotype（机械型）这一概念。这个概念的核心是把驱动形态发生的组织尺度物理因素分解为若干机械模块，每个模块都是一个可以量化、可比较、可单独变化的组织层面特征，例如：某一区域的主动收缩强度、弯曲刚度，某一界面的张力方向性，某个开口边界的几何约束等。这些模块虽然来源于细胞集体行为，但在组织层面可被看作相对独立的功能单元。因此，不同物种可以用一组不同参数值来描述它们的机械型。

作者选择刺胞动物（cnidarians）作为研究系统，包括海葵、珊瑚和水螅类。这是因为它们身体结构相对简单，仅有双胚层。刺胞动物的幼虫阶段（ planula ，浮浪幼虫）形态简单、近轴对称，便于比较。此外，不同物种的planula在形状上存在显著差异。这种差异足够丰富，但又没有高等动物那样复杂的器官结构，适合做机械模块的系统比较。作者对 6个物种的planula形状做定量比较，同时对这些物种组织中的肌球蛋白分布、组织厚度、细胞排列方向性等机械相关特征做比较分析。分析发现，不同刺胞动物planula的形状多样性可以被两个参数概括：长宽比（伸长程度）和形状极性（哪一端更宽）。尽管最终形状差异很大，但在组织中尺度层面存在相当保守的力学模式。主要包括：基底界面普遍存在环向有序的肌球蛋白组织、反口端常有更强的apical pMLC和更厚的外胚层，以及不同物种主要在这些模式的幅度、范围、边界几何上存在差异。这些保守模式提示，planula形状差异并不一定来自完全不同的机制，而可能来自一组共享机械模块的不同组合与参数调节。

接下来，作者把观察到的组织模式转化为可计算的物理模型，用模型定义机械模块。通过建立主动表面模型，从模拟中提炼出5个机械模块，再用 Nematostella发育过程验证这个模型。作者研究发现， planula形态可以被分解为若干可量化的机械模块，而不是只能用分子网络语言描述。planula形态的轴向伸长主要由基底界面的主动向列张力驱动，并且基底向列有序张力是一个跨物种保守的机械模块，在多个刺胞动物中都与伸长程度对应。作者在Nematostella中建立了一个可诱导的遗传系统，表达dominant-negative myosin，干扰内胚层相关收缩组织。结果发现，基底向列有序显著降低，幼虫不能正常伸长，但仍能开始游动，说明发育未被整体阻断。这些结果表明基底界面有序肌球蛋白组织是轴向伸长的必要条件。

作者已经证实伸长是一个相对简单的性状，主要由基底向列有序张力控制。但形状极性更为复杂，因为多个模块都可能影响哪一端更宽。在文章的最后，作者继续研究形状极性的调控模式。通过比较口部几何、弯曲刚度、组织厚度、JNK和Wnt信号的表达模式，作者发现不同物种可以通过不同机械模块组合得到相似或不同的极性结果，这表明形状极性不是单一机械参数可解释的统一性状。此外，发育轴向模式（JNK和Wnt信号等）可以通过重组机械模块产生演化样形态变化，即分子调控网络的改变并不是直接决定最终形状，而是通过改变组织级机械配置来作用。作者还对全物种M echanotype 进行比较，发现Mechanotype框架可区分简单机械性状和复杂机械性状，例如：伸长是由单模块主导，而极性由多模块协同调控。

总的来说，该研究提出并验证了一个跨物种比较形态发生的 M echanotype框架，表明刺胞动物浮浪幼虫的形状多样性可以分解为若干可量化的组织尺度机械模块，其中轴向伸长主要由基底界面的向列有序主动张力驱动，而形状极性则由口部几何、弯曲刚度和组织厚度等多个模块共同决定。这项工作把基因调控如何转化为形态演化具体落实到可测量的物理参数层面，说明演化并非只通过改变分子网络本身塑造形态，还可通过重组组织级机械系统产生多样化体形，从而为理解形态进化建立了一个可推广的生物物理框架。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.02.010

制版人：十一

参考文献

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