细胞如何建立生物体：细胞用于自组织发现的关键控制机制

活细胞成像显示在早期发育过程中新生脊髓形成时发生的动态环境和细胞运动程度。

关键控制机制允许细胞在发育中的胚胎中形成组织和解剖结构。

在显微镜下，每个多细胞生物生命的最初几个小时似乎混乱得一团糟。受精后，一个曾经平静的单细胞卵一次又一次地脱落，迅速变成了一个视觉混乱的小窝，它们在迅速成长的胚胎中争夺位置。

然而，在这种明显的pan症中，细胞开始自我组织。很快，出现了空间模式，为构造组织，器官以及从大脑到脚趾以及介于两者之间的所有事物的精细解剖结构奠定了基础。几十年来，科学家们一直在深入研究这个称为形态发生的过程，但是在许多方面它仍然是令人迷惑的。

现在，哈佛医学院和奥地利科学技术学院（IST）的研究人员发现了一种关键的控制机制，细胞可以利用这种机制在早期胚胎发育中自我组织。这项发现发表在2020年10月2日的科学杂志上，阐明了多细胞生命的根本过程，并为改善组织和器官工程策略开辟了新途径。

由HMS Blavatnik研究所系统生物学教授Sean Megason领导的一个团队研究斑马鱼胚胎中的脊髓形成，发现不同的细胞类型表达了粘附分子的独特组合，以便在形态发生过程中进行自我分选。即使在发育中的胚胎中发生了广泛的细胞重排，这些“粘附代码”也决定了哪些细胞更喜欢保持连接，以及保持连接的强度。

微量移液测定法测量两个细胞之间的粘附力。

研究人员发现，粘附代码受形态发生子调控，形态发生子是长期已知的主要信号分子，可控制发育过程中的细胞命运和模式形成。结果表明，形态发生子的相互作用和粘附特性使细胞能够以构建生物体所需的精度和一致性进行组织。

该研究的共同通讯作者麦格森说：“我实验室的目标是了解生物形式的基本设计原理。”“我们的发现代表了一种解决形态发生问题的新方法，这是胚胎学中最古老，最重要的方法之一。我们认为这是进行此类努力的冰山一角。”

这组作者说，对细胞在早期发育中如何自我组织的见解还有助于工程化组织和器官以用于临床用途，例如移植。

“为研究或医学应用构建人造组织是至关重要的目标，但目前最大的问题之一是不一致，”布拉瓦特尼克研究所系统生物学研究员托尼·蔡（Tony Tsai）说。“从理解和逆向工程中可以学到一个明确的教训，即正在发育的胚胎中的细胞如何能够以这种健壮和可复制的方式构建生物体的成分。”

拔河比赛

在Tsai的带领下，与IST Austria的Carl-Philipp Heisenberg及其同事合作，研究团队首先研究了形态发生最成熟的框架之一，即法国国旗模型。

在该模型中，形态发生子从胚胎中的局部来源释放，使附近的细胞比远处的细胞暴露于更高水平的信号分子中。细胞暴露于的形态发生素的量会激活不同的细胞程序，特别是那些决定细胞命运的程序。因此，形态发生子的浓度梯度将图案“绘制”在细胞群上，让人联想到法国国旗的独特色带。

但是，此模型有局限性。Megason实验室先前的研究在整个斑马鱼胚胎中使用活细胞成像和单细胞跟踪，以显示形态发生子信号可能嘈杂且不精确，尤其是在“标志”的边界。另外，发育中的胚胎中的细胞不断地处于静止状态并处于运动状态，这可能会扰乱形态发生子信号。这导致细胞类型的初始混合图案。

尽管如此，即使在嘈杂的开始时，细胞也会自动分选为精确的模式，在当前的研究中，研究小组着手了解如何进行。他们专注于50年前提出的假设，即差异粘附。该模型表明细胞粘附于某些其他细胞类型，其自我分选的方式类似于油和醋随时间的分离方式。但是，几乎没有证据表明这在构图方面起作用。

为了进行研究，Megason，Tsai和他的同事开发了一种方法来测量细胞相互粘附的力。他们将两个个体细胞放置在一起，然后用来自两个微量移液器的精确控制的抽吸压力将其拉到每个细胞上。这使研究人员能够测量将细胞拉开所需的精确力量。通过一次分析三个细胞，它们还可以建立粘附偏好。

该团队使用这项技术研究了三种不同类型的神经祖细胞的模式，这些神经祖细胞参与了斑马鱼胚胎中新生脊髓的构建。

实验表明，相似类型的细胞牢固且优先地相互粘附。为了鉴定相关的粘附分子编码基因，研究人员使用单细胞RNA测序分析了每种细胞类型的基因表达谱。然后，他们使用CRISPR-Cas9一次阻止一个候选基因的表达。如果图案的形成被破坏，他们将应用拉力试验来观察该分子对粘连的贡献。

粘合代码

出现了三个基因-N-钙粘着蛋白，钙粘着蛋白11和原钙粘着蛋白19-对于正常模式至关重要。这些基因的不同组合和不同水平的表达造成了粘附偏好的差异，代表了该团队所称的粘附代码。该代码对于每种细胞类型都是唯一的，并确定每种细胞类型在形态发生过程中保持连接的其他细胞。

蔡说：“我们观察到的所有三种粘附分子在每种细胞类型中均以不同的量表达。”“细胞使用此代码优先粘附到其自身类型的细胞上，这就是在图案形成过程中允许不同细胞类型分离的原因。但是细胞也必须与其他细胞类型保持一定水平的粘附性，因为它们必须协作形成组织。通过将这些本地交互规则组合在一起，我们可以阐明全局图景。”

由于粘附代码是特定于细胞类型的，因此研究人员假设它可能由决定细胞命运的相同过程控制，即形态发生子信号传导。他们研究了如何干扰一种最著名的形态发生子-声波刺猬（Shh），如何影响细胞类型和相应的黏附分子基因表达。

分析表明，细胞类型和粘附分子基因表达在水平和空间位置上都高度相关。这在整个新生脊髓中都是正确的，其中细胞类型和粘附分子的基因表达模式根据Shh活性的不同而一起改变。

Megason说：“我们发现这种形态发生素不仅控制细胞命运，而且还控制细胞粘附。”“法国国旗模型给出了一个粗略的草图，然后不同的附着力形成了精确的图案。结合这些不同的策略似乎是细胞如何随着胚胎的形成在3D空间和时间中建立模式。”

研究人员现在正在进一步研究发育中的胚胎中吗啡信号转导和粘附之间的相互作用。这组作者说，当前的研究只研究了三种不同的细胞类型，还有许多其他的粘附分子候选物和形态发生子还有待分析。另外，关于形态发生子如何控制细胞类型和粘附分子表达的细节仍不清楚。

这组作者说，更好地理解这些过程可以帮助科学家发现和逆向工程，即单细胞卵构建整个生物体的基本机制。这可能会对生物技术产生深远的影响，特别是对于建立用于移植或测试新药物候选者的人造组织和器官的努力。

Megason说：“目前组织工程学的问题是我们只是不知道基础科学是什么。”“如果您想在溪流上架起一座小桥，也许您可​​以在不了解物理学的情况下做到这一点。但是，如果您想建造一座大型的悬索桥，则需要了解很多有关基础物理学的知识。我们的目标是找出这些规则对胚胎的影响。”

参考：托尼·C（Tony Y.-C）撰写的“粘附代码确保在组织形态发生期间形成牢固的图案”蔡，马特乌斯·西科拉（Mateusz Sikora），彭霞，图格巴·克拉克（Tugba Colak-Champollion），霍尔格·可耐特（Holger Knaut），卡尔·菲利普·海森堡（Carl-Philipp Heisenberg）和肖恩·G·麦格森（Sean G.Megason），2020年10月2日，科学.DOI：
10.1126 / science.aba6637

该研究的其他作者包括Mateusz Sikora，Peng Xia，Tugba Colak-Champollion和Holger Knaut。

这项工作得到了美国国立卫生研究院（R01GM107733，R01NS102322的资助），Eunice Kennedy Shriver国家儿童健康与人类发展研究所（1K99HD092623），Damon Runyon癌症基金会，生物学家，Burroughs公司的K99奖学金的支持惠康基金会和欧洲研究理事会。