本文研究了早期哺乳动物胚胎在基因表达、机械特性和细胞分裂时间方面的变异性，探讨了这些变异性与胚胎发育稳健性的关系。通过小鼠、兔子和猴子胚胎的实验研究和计算机模拟，发现细胞去同步化和时间变异性的增加对胚胎稳健性有重要作用。空间变异性在八细胞阶段减少，这是由于压实和向特定配置的拓扑转变所驱动的。文章还介绍了导致空间变异性较低机制的三个因素，包括卵裂时间的随机变异、表面能最小化和压实选择以及透明带的限制作用。
这些方法和实验设计对于理解早期哺乳动物胚胎发育的变异性和稳健性至关重要。
早期哺乳动物胚胎在基因表达、机械特性和细胞分裂时间方面表现出变异性。尽管存在固有的随机动力学，胚胎仍实现了稳健的形态和功能。法布雷热
等人
。研究了时间变异性和细胞力学如何影响小鼠、兔子和猴子胚胎胚胎发育的稳健性。他们发现，细胞去同步化以随机和细胞自主的方式增加，而胚胎之间的空间变异性在八细胞阶段减少，这是由压实和向特定配置的拓扑转变驱动的。计算机模拟支持了这些发现。操纵裂解时间证明了其对细胞命运模式的影响，强调了时间变异在确保稳健的形态发生中的作用。—斯特拉·M·赫特利
介绍
尽管生物体具有内在的可变性和动态性，但它们通过分子、细胞和组织之间复杂的相互作用建立了强大的形式和功能。分子和细胞变异被认为是有害的，并通过调节机制积极最小化。然而，最近的研究表明，变异性在细胞决策和稳健性中发挥着至关重要的作用，包括在细菌、癌症适应、组织分化和胚胎发生中。由于早期哺乳动物胚胎在基因表达、卵裂时间和各种机械参数方面表现出变异性，因此它们提供了一个极好的模型来研究变异性如何影响发育过程。
基本原理
了解变异性在发育中的作用需要在空间和时间上进行量化[三维 (3D) 加时间成像]，以及变异性的实验扰动。这项研究开发了实验和理论方法来量化早期哺乳动物胚胎发生中的形态发生再现性。我们表征了小鼠植入前胚胎的卵裂时间变异性，并在不同哺乳动物物种之间进行了比较。我们还建立了分割细胞膜的管道。使用指数样条，我们的目标是提供一种严格且公正的方法来提取几何信息以及胚胎的基础拓扑结构。这提供了一种详尽而简单的方法来量化和分类胚胎发生的复杂动态。更远，我们开发了一个实验系统来检查时间变异如何影响早期发育过程中胚胎的几何形状和拓扑结构。通过检查细胞堆积的 3D 几何和拓扑结构，我们试图找出驱动减少空间变异性的机制。
结果
研究发现，在小鼠、兔子和猴子胚胎的第一次卵裂过程中，卵裂时间的变异性以恒定的、物种特异性的速率增加。这种时间变异性不受调节，可能导致在 8 细胞阶段开始时观察到的较大形态变异性。尽管如此，胚胎在该阶段结束时表现出显著的空间收敛。我们开发了一种基于降维和形态图的计算管道，以公正的方式量化胚胎的空间动态，表明随着发育的进展，它们的形状相似性增加。我们表明，可以通过考虑细胞堆积的拓扑来直观地解释这些复杂的数据集，显示出形状的收敛，反映了向一些刚性拓扑的收敛。我们的物理模型表明，压实过程中的表面能最小化足以驱动这种收敛，促进较低能量的特定拓扑结构并导致空间变异性降低。此外，我们还表明，虽然封装胚胎的透明带不是收敛所必需的，但它减少了初始可能的拓扑集，从而允许更快地收敛到最佳配置。尽管由于卵裂时间的自然不同步，从一个阶段到下一阶段的包装得以维持，但 8 至 16 细胞阶段的实验同步导致囊胚中的图案缺陷，凸显了时间变异性对于正常发育的重要性。
结论
研究结果揭示了导致不同胚胎之间空间变异性较低的独特机制。首先，卵裂时间的随机变异在实现跨物种一致的发育结果方面发挥着关键作用。其次，表面能最小化和压实选择一些能量最小的构型，并驱动向这些堆积的拓扑转变，从而导致几何收敛和空间变异性的减少。第三种机制可能涉及透明带限制早期胚胎包装的潜在结构的范围。总而言之，这些机制确保了哺乳动物胚胎发生的稳健性，并呈现出生物系统中随机过程的潜在适应性益处。
细胞力学和去同步化的胚胎发生稳健性模型。
图1;4 细胞阶段胚胎在 8 细胞阶段开始时产生多种形状，在此期间细胞收缩性触发拓扑转变。最终，胚胎被驱动至最佳包装（青色）。与此同时，细胞自主去同步逐渐增加时间变异性，有助于在一代代中保持拓扑最优性，降低空间变异性并提高鲁棒性。
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