Science：揭示粘附密码确保胚胎发育过程中的组织和解剖结构正确形成
来源：本站原创 2020-10-10 13:32
2020年10月10日讯/生物谷BIOON/---在显微镜下，每一个多细胞有机体生命的最初几个小时都显得异常混乱。在受精后，曾经平静的单细胞卵子一次又一次地分裂，很快就在快速生长的胚胎中形成了视觉上混乱的细胞战场。然而，在这种明显的大混乱中，细胞开始自我组装。很快，空间模式就出现了，成为构建组织、器官和从大脑到脚趾等复杂解剖结构的基础。几十年来，科学家们一直在
2020年10月10日讯/生物谷BIOON/---在显微镜下，每一个多细胞有机体生命的最初几个小时都显得异常混乱。在受精后，曾经平静的单细胞卵子一次又一次地分裂，很快就在快速生长的胚胎中形成了视觉上混乱的细胞战场。
然而，在这种明显的大混乱中，细胞开始自我组装。很快，空间模式就出现了，成为构建组织、器官和从大脑到脚趾等复杂解剖结构的基础。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，但它在许多方面仍然是神秘的。
如今，在一项新的研究中，来自哈佛医学院、纽约大学医学院和奥地利科学技术研究所的研究人员发现了细胞在早期胚胎发育过程中用于自我组装的一种关键控制机制。这些发现阐明了多细胞生命的基本过程，这为改进组织和器官工程策略开辟了新途径。相关研究结果发表在2020年10月2日的Science期刊上，论文标题为“An adhesion code ensures robust pattern formation during tissue morphogenesis”。
这些研究人员在斑马鱼胚胎中的脊髓形成时，发现不同类型的细胞表达独特的粘附分子组合，以便在形态发生过程中进行自我排序。这些“粘附密码（adhesion code）”决定了哪些细胞更原意保持连接，以及它们保持连接的强度，即使在发育中的胚胎内发生了广泛的细胞重排。
这些研究人员发现粘附密码是由成形素（morphogen）调节的，其中成形素是长期以来已知的支配细胞命运和发育中模式形成的主信号分子。这些研究结果表明，成形素和粘附特性之间的相互作用使得细胞能够以构建有机体所需的精确度和一致性进行自我组装。
论文共同通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学教授Sean Megason说，“我实验室的目标是了解生物形态的基本设计原则。我们的发现代表了一种新的方法来解决形态发生的问题，这是胚胎学中最古老和最重要的问题之一。我们认为这只是这些努力的冰山一角。”
这些研究人员说，对细胞在早期发育中如何自我组装的新见解也可能有助于设计组织和器官，用于临床使用。
论文第一作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学研究员Tony Tsai说，“构建人工组织用于研究或医疗应用是一个极其重要的目标，但目前最大的问题之一是不一致性。从理解和逆向工程中，我们可以学到一个明显的教训就是了解发育中的胚胎内的细胞如何能够以如此强大和可重复的方式构建有机体的组成部分。”
细胞战场
在这项研究中，这些研究人员首先研究了形态发生最完善的框架之一---法国国旗模型（French flag model）。在这种模型中，成形素在胚胎的局部释放，使得附近的细胞暴露在比远处的细胞更高水平的这种信号分子中。细胞所接触的成形素数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，成形素的浓度梯度在不同组的细胞上“画”出了分布模式，这让人联想到法国国旗的不同颜色带。
然而，这种模型有局限性。Megason实验室以前的研究使用了活细胞成像和整个斑马鱼胚胎中的单细胞跟踪，结果发现成形素信号可能是嘈杂的和不精确的，特别是在“法国国旗”的边界。此外，在发育中的胚胎内的细胞不断分裂和迁移，这可以扰乱成形素信号传送。这可导致初始的细胞类型混合模式。
尽管如此，细胞还是会自我组装成精确的模式，即使是在开始时信号是嘈杂的。在这项新的研究中，这些研究人员着手了解这是如何做到的。他们专注于50多年前提出的一个假说，即所谓的区别粘附（differential adhesion）。这个理论指出，细胞粘附在某些其他细胞类型上，以一种类似于油和醋随着时间的推移而分离的方式进行自我排序。但几乎没有证据表明这在细胞自我组装成精确的模式中起作用。
为了研究这一点，Megason、Tsai及其同事们开发了一种方法来测量细胞彼此粘附在一起的力量。他们将两个单独的细胞放在一起，然后利用两个微量吸液管精确控制吸力来拉动每个细胞。这使得这些研究人员能够精确测量拉开这两个细胞所需的力量。通过同时分析三个细胞，他们还可以建立粘附偏好。
这些研究人员利用这一技术研究了参与构建斑马鱼胚胎中新生脊髓的三种不同类型的神经祖细胞的分布模式。
这些实验发现，相似类型的细胞强烈且优先地彼此粘附在一起。为了确定相关的粘附分子编码基因，这些研究人员利用单细胞RNA测序分析了每种细胞类型的基因表达谱。然后，他们利用CRISPR-Cas9一次一个基因地阻断候选基因的表达。如果分布模式形成变得混乱，他们就进行拉动测试，以观察这个粘附分子对粘附的贡献有多大。
粘附密码
三个基因---N-cadherin、cadherin 11和protocadherin 19---被认为是正常的分布模式形成所必需的。这些基因的不同组合和不同表达水平导致差异性的粘附偏好，这些研究人员将之称为粘附密码。这种粘附密码对每种细胞类型都是独一无二的，并决定了每种细胞类型在形态发生过程中与哪些其他细胞保持连接。
Tsai说，“我们所研究的三种粘附分子在每种细胞类型中的表达量都不同。细胞利用这种粘附密码优先粘附在它们自己类型的细胞上，这就是让不同细胞类型在模式形成过程中分离开来的原因。但是，细胞也会与其他细胞类型保持一定程度的粘附，这是因为它们必须协作形成组织。通过将这些局部的相互作用规则拼凑在一起，我们可以阐明全局的情况。”
鉴于粘附密码是细胞类型特异性的，这些研究人员推测，它很可能是由决定细胞命运的相同过程（即成形素信号转导）控制的。他们研究了一种最著名的成形素--- Shh（Sonic hedgehog）---的扰动如何影响细胞类型和相应的粘附分子基因表达。
这些分析显示，细胞类型和粘附分子基因在表达水平和空间位置上都是高度相关的。这在整个新生脊髓中都是如此，在那里，细胞类型和粘附分子的基因表达模式随着Shh活性的差异而一起发生变化。
Megason说，“我们发现，这种成形素不仅控制细胞命运，还控制细胞粘附。这种法国国旗模型给出了一个粗略的草图，而差异粘附则形成了精确的分布模式。结合这些不同的策略似乎是细胞在胚胎形成时在三维空间和时间中构建模式的方式。”
这些研究人员如今正在进一步研究发育中的胚胎内的成形素信号和粘附之间的相互作用。他们说，这项新的研究只考察了三种不同的细胞类型，还有许多其他候选的粘附分子和成形素有待分析。此外，成形素如何控制细胞类型和粘附分子表达的细节仍不清楚。
这些研究人员说，更好地理解这些过程可以帮助科学家们发现和通过逆向工程揭示一个单细胞卵子构建整个有机体的基本机制。这可能会对生物技术产生深远的影响，特别是对于构建人工组织和器官用于移植或测试新的候选药物的努力。
Megason说，“如今，组织工程面临的问题是，我们并不知道它所涉及的基础科学。如果你想在溪流上建造一座小桥，也许你可以在不了解物理学的情况下做到这一点。但如果你想建造一座大吊桥，你需要了解很多基础物理学知识。我们的目标是弄清楚胚胎的那些规则是什么。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Tony Y.-C. Tsai et al. An adhesion code ensures robust pattern formation during tissue morphogenesis. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba6637.
2.Key control mechanism allows cells to form tissues and anatomical structures in the developing embryo
https://phys.org/news/2020-10-key-mechanism-cells-tissues-anatomical.html
然而，在这种明显的大混乱中，细胞开始自我组装。很快，空间模式就出现了，成为构建组织、器官和从大脑到脚趾等复杂解剖结构的基础。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，但它在许多方面仍然是神秘的。
如今，在一项新的研究中，来自哈佛医学院、纽约大学医学院和奥地利科学技术研究所的研究人员发现了细胞在早期胚胎发育过程中用于自我组装的一种关键控制机制。这些发现阐明了多细胞生命的基本过程，这为改进组织和器官工程策略开辟了新途径。相关研究结果发表在2020年10月2日的Science期刊上，论文标题为“An adhesion code ensures robust pattern formation during tissue morphogenesis”。
图片来自eLife, 2019, doi:10.7554/eLife.42434。
这些研究人员在斑马鱼胚胎中的脊髓形成时，发现不同类型的细胞表达独特的粘附分子组合，以便在形态发生过程中进行自我排序。这些“粘附密码（adhesion code）”决定了哪些细胞更原意保持连接，以及它们保持连接的强度，即使在发育中的胚胎内发生了广泛的细胞重排。
这些研究人员发现粘附密码是由成形素（morphogen）调节的，其中成形素是长期以来已知的支配细胞命运和发育中模式形成的主信号分子。这些研究结果表明，成形素和粘附特性之间的相互作用使得细胞能够以构建有机体所需的精确度和一致性进行自我组装。
论文共同通讯作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学教授Sean Megason说，“我实验室的目标是了解生物形态的基本设计原则。我们的发现代表了一种新的方法来解决形态发生的问题，这是胚胎学中最古老和最重要的问题之一。我们认为这只是这些努力的冰山一角。”
这些研究人员说，对细胞在早期发育中如何自我组装的新见解也可能有助于设计组织和器官，用于临床使用。
论文第一作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所系统生物学研究员Tony Tsai说，“构建人工组织用于研究或医疗应用是一个极其重要的目标，但目前最大的问题之一是不一致性。从理解和逆向工程中，我们可以学到一个明显的教训就是了解发育中的胚胎内的细胞如何能够以如此强大和可重复的方式构建有机体的组成部分。”
细胞战场
在这项研究中，这些研究人员首先研究了形态发生最完善的框架之一---法国国旗模型（French flag model）。在这种模型中，成形素在胚胎的局部释放，使得附近的细胞暴露在比远处的细胞更高水平的这种信号分子中。细胞所接触的成形素数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，成形素的浓度梯度在不同组的细胞上“画”出了分布模式，这让人联想到法国国旗的不同颜色带。
然而，这种模型有局限性。Megason实验室以前的研究使用了活细胞成像和整个斑马鱼胚胎中的单细胞跟踪，结果发现成形素信号可能是嘈杂的和不精确的，特别是在“法国国旗”的边界。此外，在发育中的胚胎内的细胞不断分裂和迁移，这可以扰乱成形素信号传送。这可导致初始的细胞类型混合模式。
尽管如此，细胞还是会自我组装成精确的模式，即使是在开始时信号是嘈杂的。在这项新的研究中，这些研究人员着手了解这是如何做到的。他们专注于50多年前提出的一个假说，即所谓的区别粘附（differential adhesion）。这个理论指出，细胞粘附在某些其他细胞类型上，以一种类似于油和醋随着时间的推移而分离的方式进行自我排序。但几乎没有证据表明这在细胞自我组装成精确的模式中起作用。
为了研究这一点，Megason、Tsai及其同事们开发了一种方法来测量细胞彼此粘附在一起的力量。他们将两个单独的细胞放在一起，然后利用两个微量吸液管精确控制吸力来拉动每个细胞。这使得这些研究人员能够精确测量拉开这两个细胞所需的力量。通过同时分析三个细胞，他们还可以建立粘附偏好。
这些研究人员利用这一技术研究了参与构建斑马鱼胚胎中新生脊髓的三种不同类型的神经祖细胞的分布模式。
这些实验发现，相似类型的细胞强烈且优先地彼此粘附在一起。为了确定相关的粘附分子编码基因，这些研究人员利用单细胞RNA测序分析了每种细胞类型的基因表达谱。然后，他们利用CRISPR-Cas9一次一个基因地阻断候选基因的表达。如果分布模式形成变得混乱，他们就进行拉动测试，以观察这个粘附分子对粘附的贡献有多大。
粘附密码
三个基因---N-cadherin、cadherin 11和protocadherin 19---被认为是正常的分布模式形成所必需的。这些基因的不同组合和不同表达水平导致差异性的粘附偏好，这些研究人员将之称为粘附密码。这种粘附密码对每种细胞类型都是独一无二的，并决定了每种细胞类型在形态发生过程中与哪些其他细胞保持连接。
Tsai说，“我们所研究的三种粘附分子在每种细胞类型中的表达量都不同。细胞利用这种粘附密码优先粘附在它们自己类型的细胞上，这就是让不同细胞类型在模式形成过程中分离开来的原因。但是，细胞也会与其他细胞类型保持一定程度的粘附，这是因为它们必须协作形成组织。通过将这些局部的相互作用规则拼凑在一起，我们可以阐明全局的情况。”
鉴于粘附密码是细胞类型特异性的，这些研究人员推测，它很可能是由决定细胞命运的相同过程（即成形素信号转导）控制的。他们研究了一种最著名的成形素--- Shh（Sonic hedgehog）---的扰动如何影响细胞类型和相应的粘附分子基因表达。
这些分析显示，细胞类型和粘附分子基因在表达水平和空间位置上都是高度相关的。这在整个新生脊髓中都是如此，在那里，细胞类型和粘附分子的基因表达模式随着Shh活性的差异而一起发生变化。
Megason说，“我们发现，这种成形素不仅控制细胞命运，还控制细胞粘附。这种法国国旗模型给出了一个粗略的草图，而差异粘附则形成了精确的分布模式。结合这些不同的策略似乎是细胞在胚胎形成时在三维空间和时间中构建模式的方式。”
这些研究人员如今正在进一步研究发育中的胚胎内的成形素信号和粘附之间的相互作用。他们说，这项新的研究只考察了三种不同的细胞类型，还有许多其他候选的粘附分子和成形素有待分析。此外，成形素如何控制细胞类型和粘附分子表达的细节仍不清楚。
这些研究人员说，更好地理解这些过程可以帮助科学家们发现和通过逆向工程揭示一个单细胞卵子构建整个有机体的基本机制。这可能会对生物技术产生深远的影响，特别是对于构建人工组织和器官用于移植或测试新的候选药物的努力。
Megason说，“如今，组织工程面临的问题是，我们并不知道它所涉及的基础科学。如果你想在溪流上建造一座小桥，也许你可以在不了解物理学的情况下做到这一点。但如果你想建造一座大吊桥，你需要了解很多基础物理学知识。我们的目标是弄清楚胚胎的那些规则是什么。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Tony Y.-C. Tsai et al. An adhesion code ensures robust pattern formation during tissue morphogenesis. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba6637.
2.Key control mechanism allows cells to form tissues and anatomical structures in the developing embryo
https://phys.org/news/2020-10-key-mechanism-cells-tissues-anatomical.html
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