Cell：揭示复杂的模式在组织发育过程中如何产生

早期发育就像一场精心编排的舞蹈，整齐划一的细胞排列成复杂的模式---这是向形成功能性器官迈出的第一步。例如，一层扁平的皮肤细胞必须在经过转变后布满整齐排列的毛细胞和汗腺。

在一项新的研究中，来自洛克菲勒大学的研究人员揭示了发育模式可以从细胞集合体和围绕它们的胞外基质（ECM）之间的物理相互作用中自发产生。这类相互作用产生了类似于流体的特性，允许形成类似于挡风玻璃上的水膜如何缩回成水滴的模式。相关研究结果发表在2022年5月26日的Cell期刊上，论文标题为“Reciprocal cell-ECM dynamics generate supracellular fluidity underlying spontaneous follicle patterning”。论文通讯作者洛克菲勒大学形态发生实验室的Amy Shyer和Alan Rodrigues。

这些作者使用鸡皮作为模型系统，发现细胞之间的机械力打破了这种组织的对称性，促使这些细胞聚集成周期性间隔的细胞束，随后在整个皮肤组织中长出羽毛。这些结构变化引发了次级基因表达变化，导致经典的分子信号传递，从而进一步推动了发育。这些发现使人们对参与器官塑造的物理因素有了更好的了解。

Shyer说，“器官发育涉及机械过程和分子过程之间的持续合作。了解这种反馈回路中各步骤的精确顺序可能有助于我们修复组织或从新的角度研究肿瘤形成。”

复杂模式的结构形成

当新的器官从同质的胚胎组织中出现时，它们似乎在许多可能性中采取了最佳结构。Shyer说，“这些结构的一个神秘之处在于，它们有一个完美的模式，真正实现了其功能的效率最大化。”

从历史上看，基因在这一生物工程的壮举中得到了很大的荣誉。人们认为，是我们的基因提供了一个分子蓝图，决定了细胞如何专门化为器官特定组成部分，以及它们如何重新排序以产生复杂的结构。但是一些科学家已经找到了质疑这一理论的理由。例如，一些结构在如此大的范围内形成，很难解释分子信号如何在如此长的范围内监督模式的形成，这提示着必须有其他机制在发挥作用。

从另一个角度来看，Shyer和Rodrigues正专注于集体细胞力学在形态形成中的作用。他们早期的研究工作已表明，鸟类皮肤的形态变化在参与毛囊形成的基因表达之前就已出现。Rodrigues说，“因此，不一定是基因启动了第一个形态变化。相反，我们发现细胞会自我组装以启动毛囊形成。与此同时，我们不知道使这种自我组装的精确机制。”

集体排列

在这项新的研究中，这些作者开始仔细研究到底是什么推动了组织变化。为了着重关注导致模式形成的时刻，他们使用了刚从鸡胚胎中提取出的原代皮肤细胞，并添加了胶原蛋白，即一种为皮肤提供结构的基本成分。仅仅这两种成分就足以让整个过程在实验室培养皿里展开。这个系统使他们能够重建天然的皮肤发育，同时消除来自邻近组织的任何潜在分子线索。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.023。

论文第一作者Karl Palmquist在逐帧观察细胞聚集过程时发现，可收缩的皮肤细胞开始附着在它们周围的网状胶原蛋白基质上，并对它产生拉力。然后他做了一个关键的观察：许多细胞的拉力将这种基质重新排列成一个高度有序的结构，以抵抗拉力。这些细胞感觉到张力的增加，越来越多地收缩，加大了它们的拉力。最终，这些细胞和它们的胞外基质之间的相互作用力产生了细胞的集体排列，使这些集体排列的细胞转变为一个有序的毛囊样聚合体模式。

这些作者根据流体的物理特性建立了一种针对发育中皮肤的理论模型。这种模型准确地预测了规则的多细胞聚合体的自发形成。

这些作者正计划研究类似的多细胞力学如何在发育和疾病期间的身体其他组织结构中发挥不可或缺的作用。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Karl H. Palmquist et al. Reciprocal cell-ECM dynamics generate supracellular fluidity underlying spontaneous follicle patterning. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.023.