基于飞秒激光微纳手术研究亚细胞尺度分子马达网络调控细胞三维运动的生物物理机理

Three-dimensional (3D) cell sheet movements and morphogenesis in organisms originate from the biophysical regulation due to molecular, cellular and tissue dynamics during development. Dorsal closure in Drosophila embryogenesis offers an essential pathway to explore the cell sheet movements in vivo. During closure, actin and myosin drive the amnioserosa to close an “eye-shaped” dorsal opening, while two flanks of lateral epidermis with actomyosin-rich supercellular purse strings converge progressively to seal a continuous epithelium. It has been extensively demonstrated by genetic tools that actomyosin physiologically controls the global closure. What remains unclear, however, is how the actomyosin networks perturb local force to remodel cell sheet movements at subcellular level. Using femtosecond laser nanosurgery, this proposal focused on modulating local force equilibrium due to actomyosin networks by releasing tensions through amnioserosa, lateral epidermis and purse strings at subcellular level. Meanwhile Structured Illumination Superresolution imaging is employed to track the real-time details in actomyosin distribution as well as cell shape changes due to the interactions between the laser and the embryo. Through modeling the 3D morphogenic processes driven by actomyosin networks within cells, this project aims at advancing our understanding towards the biophysical mechanism due to the molecular motor networks during cell migration and morphogenesis.

生物体发育中的细胞三维(3D)运动及形态演化涉及分子、细胞乃至组织等多层面的生物物理调控机制。果蝇胚胎的背向闭合过程，为研究在体细胞运动迁移机理提供了有效途径。在该过程中，肌动球蛋白网络(actomyosin networks, ANs)促成胚胎背部“眼状”羊浆膜收缩闭合，两侧表皮在肌动球蛋白富集结构(purse string, PS)地驱使下相互靠近，最终缝合成连续表皮。基因学手段表明ANs的生理活性能够影响全局闭合过程，但是在亚细胞尺度下该分子马达网络如何调控局部动力学平衡促成细胞迁移重塑的物理机理还不清楚。本项目旨在依据飞秒激光微纳手术，实现对闭合过程中羊浆膜、侧表皮细胞以及PS微区ANs的亚细胞尺度操纵，释放细胞局部应力；同时耦合结构照明超分辨技术，实时观察激光作用前后ANs及细胞形态运动演化的差异，构建3D模型，探索亚细胞甚至分子尺度下ANs调控在体细胞运动迁移的生物物理机理。

组织细胞的运动迁移及形态演化是生物体发育中的基础过程，涉及分子、细胞以及组织动力学等多个层面的生物学调控和生物物理驱动机制。果蝇胚胎发育中的背向闭合（Dorsal Closure）过程为研究肌动蛋白及其网络（Actomyosin Networks, ANs）对组织细胞形态的调控机理提供了关键模型。本项目通过将飞秒超快激光与共聚焦、结构化照明超分辨荧光显微镜耦合，拓展相关超快时间分辨光谱技术手段，在亚细胞尺度利用超分辨实时成像观察局域化ANs随组织细胞的变化特征，通过超快激光消融手术对其进行微区物理调控。实验发现，在背向闭合过程中，ANs在单细胞（羊浆膜、上皮）顶部和底部区域随着细胞轮廓的收缩和扩张呈现荧光强度的周期性震荡现象，由此推断ANs密度同细胞内禀作用力正相关，ANs密度增大导致细胞边界的收缩，减小细胞横截面积；反之亦然。通过追踪上皮细胞间的粘附连接（Adheren Junctions），发现其位移随着背向闭合过程的进行呈震荡特性，由此推断上皮细胞间作用力的大小随细胞形态演化呈周期性分布。通过超短脉冲激光消融相互作用，定量分析不同组织细胞的反冲运动，拟合背向闭合速率，对细胞内ANs的局部破坏不足以停止背向闭合过程，但是会改变背向闭合速率。基于以上实验结果，通过化学作用力和逾渗理论模拟ANs调制网络，进而调控细胞骨架施力。借助弹性逾渗和热动力学模型定量描述了ANs的内驱和交叉耦联机理。羊浆膜和上皮细胞的收缩单元可以产生长程大尺度的振荡作用力，从而破坏ANs的交联，减少细胞骨架的受力。另一方面，利用光化学方法合成基于水滑石二维材料的光声、光热荧光探针，凭借延长荧光寿命的方式间接提高发光转化效率和灵敏度，通过标记微区ANs，为研究局域细胞微结构的荧光成像提供新的实现途径。本项目所取得的成果，对在亚细胞尺度下研究肌动蛋白网络调控组织细胞演化的生物物理机理具有重要意义。