Science：新研究从全新角度探究形态发生素如何塑造器官发育

每个发育中的胚胎都蕴藏着自我组装的奥秘：一个有机体是如何在制造其组成部分的过程中塑造自己的?

在一项新的研究中，美国洛克菲勒大学形态发生实验室联合主任Alan Rodrigues和Amy Shyer领导的一个研究团队通过采用整体而非简化的方法来研究组织的形成，揭示了信号分子如何影响塑造发育中器官的生物物理过程。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Morphogens enable interacting supracellular phases that generate organ architecture”。

这项新研究的基础是思维方式的根本转变，旨在为器官发育研究提供一个更广泛、更有意义的背景，甚至可能转化为对许多人类疾病更有效的诊断和治疗。

Rodrigues说，“推动我们大量研究工作的问题是，成千上万的细胞是如何聚集在一起生成组织中的有序模式的。我们的研究结果表明，除了分子和单个细胞之外，还有一种新兴秩序需要加以考虑。”

器官发育的鸟瞰图

先前有关器官发育的研究主要依赖于形态发生素（morphogen，也称为成形素），这类信号分子在影响细胞特性和行为方面发挥着关键作用。之前的开创性研究已表明，多种形态发生素一旦发生突变，就会导致器官畸形。

但是，大多数关于形态发生素的研究都集中在这些信号分子如何在基因或分子水平上逐个细胞地发挥作用，其假设是，组织形成的复杂编排归根结底是由每个细胞中表达的基因决定的。Rodrigues和Shyer猜测，从更广阔的视角来看待注定要形成组织的整个细胞群体---即所谓的细胞集体尺度---可能会大大有助于解释迄今为止仍然无法解释的问题。

Shyer 说，“形态发生素对发育至关重要，但关于它们如何参与组织的形成，尤其是当成千上万的细胞集体参与其中时，还有许多未解之谜。我们试图超越单个细胞的思维，在更大范围内研究组织的形成。”

为了证实这种器官发育鸟瞰图的重要性，Rodrigues和Shyer将发育中的鸡皮肤作为模型。他们之所以选择这种模型系统，是因为它具有理想的复杂程度：皮肤发育成由一系列凸起点缀的平片，这意味着它足够简单，但又足够复杂，可以作为人类器官内在复杂性的模型。通过对皮肤胚胎组织进行超越细胞尺度的研究，他们希望确定器官中的新结构是如何形成的。

皮肤结构是在鸡胚胎发育一周左右的关键窗口期形成的，类似于人类在子宫内发育的一个月左右。Rodrigues解释说，“这是一个独特而关键的阶段，此时人类与牛、鼠或鸡几乎没有区别。这是你获得终生不变的组织结构的时候。脊椎动物在这个阶段看起来非常相似，这表明存在着深层次的保守原则。”

粘度、弹性和机械活动

在确定了胚胎皮肤发育的关键拐点之后，这些作者开始在细胞集体尺度上对它进行分析。他们重点分析了真皮细胞集体暴露于形态发生素时，其材料和机械特性发生的变化：粘度、弹性和机械活动。

将研究重点放在细胞集体而非单个细胞上，为观察具有功能意义的特征提供了一种方法，否则这些特征就会被忽略。单个心脏细胞无法泵血，单个神经元无法创作歌剧；心脏和大脑只有通过集体行动才能充分发挥功能，而这种集体行动在某种程度上超越了其组成单元的能力。研究这种复杂系统的人称这种现象为“涌现性质（emergent properties）”，因为这些能力并不存在于任何单一的成分中，而是通过它们之间的动态相互关系产生的。

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adg5579。

这些作者假设，细胞集体的涌现性质可以反映在粘度、弹性和机械活动等物理特性中。Rodrigues说，“我们要应对的挑战是通过实验捕捉这些涌现性质，并以此论证这些特性在细胞集体层面的存在。”

这些作者开发了测量超细胞物理特性的技术。其中一种测量方法涉及原子力显微镜，这种方法通过用探针探测组织并测量其硬度来测试整个组织的材料特性。Shyer说，“细胞集体尺度的好处在于，你可以实际拉动和推动它。这是一种触觉非常敏锐的方法。”

这些作者还使用了另一种名为“球状体融合（spheroid fusion）”的测试方法，他们对两个“球状体”细胞团在相邻放置时如何融合在一起进行了表征。Shyer 说，“当两个雨滴接触时，它们会迅速融合成一个大水珠，这表明它们具有流动性。另一方面，当两个台球相邻放置时，它们会保持分离，这表明它们具有固体性质。”用一种特定的形态发生素---骨形态发生蛋白（BMP）---处理球状体细胞团时，这些细胞团会像水一样融合在一起。然而，当用另一种形态发生素---成纤维细胞生长因子（FGF）---处理球形体细胞团时，它们只能像两个粘土球一样部分融合在一起，这表明它们的硬度增加了。

随后，这些作者开始探索超细胞物理性质的这种变化是如何产生新结构的。他们将定量生物物理模型与实验数据相结合，提供了这样的证据表明固体核心被活跃的流体边缘包围，形成了机械上不稳定的几何形状。这种不稳定性会自行消解，并在此过程中形成凸出皮肤平面的突起。

受亚细胞尺度思维的影响，该领域一直认为这些突起是基于单个细胞的迁移或局部增殖。相比之下，这项新的研究表明，产生新器官结构的关键物理作用是在超细胞尺度上发生的。

Shyer说，“这足以形成皮肤和毛囊的形状。因此，我们看到的是，形态发生素并不直接协调器官的雕刻。它们的影响是通过超细胞特性和过程介导的，这是我们如今才开始认识到的。”

当没有确凿证据时

尽管只有将单细胞以外的特性考虑在内才能得出这些发现，但是Shyer指出，形态发生素确实在细胞水平上发挥着关键作用。她说，“当然，在使用BMP或FGF处理时，每个细胞内都会发生分子变化。”

事实上，这些作者确定了细胞集体内的分子特征，并发现细胞骨架以及细胞外基质的组成和排列发生了关键性变化。此外，单细胞测序显示，单个形态发生素可能会改变数十到数百个基因的表达。与此同时，从材料角度来看，这些分子变化的贡献体现在超细胞尺度上。

将关注焦点转移到细胞集体尺度可能会对人类健康产生影响。例如，由于正在生长的肿瘤与胚胎结构具有相同的特征，这些作者如今正利用他们的方法来探索癌症的生长。

Rodrigues说，“我们的假设是，如果不在超细胞水平上研究肿瘤组织，我们就无法完全理解单个突变细胞形成肿瘤的原因。”为了追寻这一线索，这些作者目前正在研究他们的方法如何为卵巢癌研究提供信息。

采用超细胞方法可能会开辟疾病诊断和治疗的新模式。Rodrigues解释说，“可能的情况是，数百个基因的微妙调整凝聚成了新出现的材料和机械特性，从而导致健康组织的破坏。潜在的超细胞特性数量相对有限，这可能为治疗许多疾病领域提供了一个急需的立足点，而在这些疾病领域还没有分子方面的确凿证据。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Sichen Yang et al. Morphogens enable interacting supracellular phases that generate organ architecture. Science, 2023, doi:10.1126/science.adg5579.

A new way of thinking about how organ architecture develops
https://www.rockefeller.edu/news/35058-a-new-way-of-thinking-about-how-organ-architecture-develops/