斑馬魚胚胎中的脊髓形成。活細胞成像顯示在早期發育過程中新生脊髓形成時發生的動態環境和細胞運動程度。
蔡卓妍/ Sean Megason /哈佛醫學院
關鍵控制機制使細胞能夠自我組織並建立組織，器官和解剖結構
在顯微鏡下，每個多細胞生物生命的最初幾個小時似乎混亂得很混亂。受精後，一個曾經平靜的單細胞卵一次又一次分裂，迅速變成肉眼可見的動蕩小窩，爭奪在迅速生長的胚胎中的位置。
然而，在這種明顯的pan症中，細胞開始自我組織。很快，出現了空間模式，為構造組織，器官以及從大腦到腳趾以及介於兩者之間的所有事物的精細解剖結構奠定了基礎。幾十年來，科學家們一直在深入研究這個稱為形態發生的過程，但是它在許多方面仍然是謎。
現在，哈佛醫學院和奧地利科學技術學院（IST）的研究人員發現了一種關鍵的控制機制，細胞可以利用這種機制在早期胚胎發育中自我組織。該發現 於10月2日發表在《科學》雜誌上，闡明了多細胞生命的基本過程，並為改善組織和器官工程策略開闢了新途徑。
哈佛醫學院Blavatnik研究所系統生物學教授Sean Megason領導的一個研究小組研究斑馬魚胚胎中的脊髓形成 ，發現不同的細胞類型表達粘附分子的獨特組合以便自我分選。在形態發生過程中。即使在發育中的胚胎中發生了廣泛的細胞重排，這些「粘附代碼」也決定了哪些細胞更喜歡保持連接，以及保持連接的強度。
對細胞在早期發育中如何自我組織的見解還有助於工程化組織和器官以用於臨床用途，例如移植。
研究人員發現，粘附代碼受形態發生子調控，形態發生子是長期已知的主要信號分子，可控制細胞命運和發育中的模式形成。結果表明，形態發生子的相互作用和粘附特性使細胞能夠以構建生物體所需的精度和一致性進行組織。
該研究的共同通訊作者麥格森說：「我實驗室的目標是了解生物形式的基本設計原理。」 「我們的發現代表了一種解決形態發生問題的新方法，這是胚胎學中最古老，最重要的方法之一。我們認為這是進行此類努力的冰山一角。」
這組作者說，對細胞在早期發育中如何自我組織的見解還有助於工程化組織和器官以用於臨床用途，例如移植。
哈佛大學醫學院Blavatnik研究所系統生物學研究員託尼·蔡（Tony Tsai）說：「為研究或醫學應用構建人造組織是至關重要的目標，但目前最大的問題之一是不一致 。」 「從理解和逆向工程中可以學到一個明確的教訓，即正在發育的胚胎中的細胞如何能夠以這種健壯和可複製的方式構建生物體的成分。」
蜂窩狀的拔河比賽。微量移液測定法測量兩個細胞之間的粘附力。蔡卓妍/ Sean Megason /哈佛醫學院
拔河
在Tsai的帶領下，與 IST Austria的Carl-Philipp Heisenberg及其同事合作 ，研究團隊首先研究了形態發生最成熟的框架之一，法國國旗模型。
在該模型中，形態發生子從胚胎中的局部來源釋放，使附近的細胞比遠處的細胞暴露於更高水平的信號分子中。細胞暴露於的形態發生素的量會激活不同的細胞程序，特別是那些決定細胞命運的程序。因此，形態發生子的濃度梯度將圖案「繪製」到細胞群上，喚起法國國旗不同的色帶。
但是，此模型有局限性。 Megason實驗室先前的研究在整個斑馬魚胚胎中使用活細胞成像和單細胞跟蹤，以顯示形態發生子信號可能嘈雜且不精確，尤其是在「標誌」的邊界。此外，發育中的胚胎中的細胞不斷分裂並處於運動狀態，這可能會擾亂形態發生信號。這導致細胞類型的初始混合圖案。
儘管如此，即使在嘈雜的開始時，細胞也會自動分類成精確的模式，在當前的研究中，研究小組著手了解如何進行。他們專注於50年前提出的假設，即差異粘附。該模型表明細胞會粘附於某些其他細胞類型，並以類似於油和醋隨時間分離的方式自我分選。但是幾乎沒有證據表明這在構圖方面起作用。
為了進行研究，Megason，Tsai及其同事開發了一種方法來測量細胞相互粘附的力。他們將兩個單獨的細胞放在一起，然後用來自兩個微量移液器的精確控制的吸力將其拉到每個細胞上。這使研究人員能夠測量將細胞拉開所需的精確力量。通過一次分析三個單元，它們還可以建立粘附偏好。
研究小組使用這項技術研究了三種不同類型的神經祖細胞的模式，這些神經祖細胞參與了斑馬魚胚胎中新生脊髓的構建。
實驗表明，相似類型的細胞牢固且優先地相互粘附。為了鑑定相關的粘附分子編碼基因，研究人員使用RNA測序分析了每種細胞類型的基因表達譜。然後，他們使用CRISPR-Cas9一次阻止一個候選基因的表達。如果圖案的形成被破壞，他們將應用拉力試驗來觀察該分子對粘附的貢獻。
粘合代碼
出現了三個基因-N-鈣粘著蛋白， 鈣粘著蛋白11和 原鈣粘著蛋白19-對於正常模式至關重要。這些基因的不同組合和不同水平的表達是造成粘附偏好差異的原因，代表了該團隊所稱的粘附代碼。該代碼對於每種細胞類型都是唯一的，並確定每種細胞類型在形態發生過程中保持連接的其他細胞。
蔡說：「我們觀察到的所有三種粘附分子在每種細胞類型中均以不同的量表達。」 「細胞使用此代碼優先粘附到其自身類型的細胞上，這就是在圖案形成過程中允許不同細胞類型分離的原因。但是細胞也必須與其他細胞類型保持一定水平的粘附，因為它們必須協作形成組織。通過將這些本地交互規則組合在一起，我們可以闡明全局圖景。」
由於粘附代碼是特定於細胞類型的，因此研究人員假設它可能由決定細胞命運的相同過程控制，即形態發生子信號傳導。他們研究了如何幹擾一種最著名的形態發生子-聲波刺蝟（Shh），如何影響細胞類型和相應的黏附分子基因表達。
「目前組織工程學的問題是我們只是不知道基礎科學是什麼。……我們的目標是弄清楚這些規則對胚胎有什麼影響。」
— HMS Blavatnik研究所的Sean Megason
分析表明，細胞類型和粘附分子基因表達在水平和空間位置上都高度相關。這在整個新生脊髓中都是正確的，其中細胞類型和粘附分子的基因表達模式根據Shh活性的差異一起改變。
Megason說：「我們發現這種形態發生素不僅控制細胞命運，而且還控制細胞粘附。」 「法國國旗模型給出了一個粗略的草圖，然後不同的附著力形成了精確的圖案。結合這些不同的策略似乎是細胞如何隨著胚胎的形成在3D空間和時間中建立模式。」
研究人員現在正在進一步研究發育中的胚胎中嗎啡信號轉導和粘附之間的相互作用。這組作者說，當前的研究只研究了三種不同的細胞類型，還有許多其他的粘附分子候選物和嗎啡原還有待分析。另外，關於形態發生子如何控制細胞類型和粘附分子表達的細節仍不清楚。
作者說，更好地理解這些過程可以幫助科學家發現和逆向工程，即單細胞卵構建整個生物體的基本機制。這可能會對生物技術產生深遠的影響，特別是對於構建用於移植或測試新藥物候選者的人造組織和器官的努力。
Megason說：「目前組織工程學的問題是我們只是不知道基礎科學是什麼。」 「如果您想在溪流上架起一座小橋，也許您可以在不了解物理的情況下做到。但是，如果您想建造一座大型的懸索橋，則需要了解很多有關基礎物理的知識。我們的目標是弄清楚這些規則對胚胎有什麼影響。」
該研究的其他作者包括Mateusz Sikora，Peng Xia，Tugba Colak-Champollion和Holger Knaut。
這項工作得到了美國國立衛生研究院（R01GM107733，R01NS102322的資助），Eunice Kennedy Shriver國家兒童健康與人類發展研究所（1K99HD092623），Damon Runyon癌症基金會，生物學家，Burroughs公司的K99獎學金的支持惠康基金會和歐洲研究理事會。