在显微镜下，每一种多细胞生物生命的最初几个小时似乎都异常混乱。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窝。
然而，在这明显的混乱中，细胞开始自我组织。很快，空间模式出现了，为组织、器官和精细的解剖结构的构建提供了基础，从大脑到脚趾以及两者之间的一切。几十年来，科学家们对这个被称为形态发生的过程进行了深入研究，但它在许多方面仍然是神秘的。
现在，哈佛医学院和奥地利科学技术研究所(IST)的研究人员发现了一种关键的控制机制，杏耀代理细胞在早期胚胎发育过程中用于自我组织。这些发现发表在10月2日的《科学》杂志上，阐明了多细胞生命的基本过程，并为改进组织和器官工程策略开辟了新的途径。
由HMS Blavatnik研究所系统生物学教授Sean Megason领导的研究小组在研究斑马鱼胚胎的脊髓形成时发现，不同的细胞类型表达了独特的粘附分子组合，以便在形态形成过程中自我分类。这些“粘附代码”决定了哪些细胞更愿意保持联系，以及它们保持联系的强度，即使在发育中的胚胎中发生了广泛的细胞重排。
研究人员发现，粘附编码是由形态因子调控的，长期以来，人们一直认为它控制着细胞的命运和发育过程中模式的形成。结果表明，形态因子和粘附特性的相互作用使细胞能够精确地组织起来，形成有机体。
“我实验室的目标是理解生物形态的基本设计原则，”Megason说，他是这项研究的共同通讯作者。“我们的发现代表了一种处理形态发生问题的新方法，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。”
作者说，深入了解细胞在早期发育过程中是如何自我组织的，也有助于组织和器官的临床工程，例如移植。
“构建用于研究或医学应用的人造组织是一个极其重要的目标，但目前最大的问题之一是不一致，”该研究的主要作者、布拉瓦尼克研究所(Blavatnik Institute)的系统生物学研究员托尼蔡(Tony Tsai)说。“理解和逆向工程一个正在发育的胚胎中的细胞如何能够以如此强健和可再生的方式构建有机体的组成部分，这是一个值得学习的明显教训。”
拔河比赛
由Tsai牵头，并与奥地利科学技术研究所的Carl-Philipp Heisenberg及其同事合作，研究团队首先研究了形态形成最完善的框架之一——法国国旗模型。
在这个模型中，形态因子从胚胎的局部来源释放出来，使附近的细胞比远处的细胞暴露在更高水平的信号分子中。一个细胞暴露于形态形成原的数量激活了不同的细胞程序，特别是那些决定细胞命运的程序。形态因子的浓度梯度因此在细胞群上“绘制”图案，唤起了法国国旗明显的色带。
然而，这个模型也有局限性。Megason实验室之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，表明形态信号可能是嘈杂和不精确的，特别是在“旗”的边界。此外，
杏耀主管 ，发育中的胚胎中的细胞不断分裂和运动，这可能扰乱形态形成信号。这导致细胞类型的初始混合模式。
尽管如此，细胞仍然能自我分类成精确的模式，即使开始时噪音很大，而在目前的研究中，团队开始着手了解如何做到这一点。他们集中研究了50多年前提出的一种假说，即差异粘连。这个模型表明，细胞依附于某些其他类型的细胞，以一种类似油和醋随着时间分离的方式自我分选。但几乎没有证据表明这在模式形成中起作用。
为了进行研究，Megason, Tsai和同事们开发了一种方法来测量细胞间相互粘附的力量。他们将两个单独的细胞放在一起，然后用两个微管精确控制的吸力来拉动每个细胞。这使得研究人员能够测量将细胞分开所需的精确力。通过一次分析三个细胞，他们也可以建立黏附偏好。
研究小组利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，相似类型的细胞强烈地、优先地相互粘附。为了识别相关的黏附分子编码基因，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。然后用CRISPR-Cas9块候选基因的表达,一次一个。如果图案的形成被打乱，他们就用拉力试验来观察分子对粘附的贡献。
粘合代码
有三个基因——N-cadherin, cadherin 11和protocadherin 19——被认为是正常模式的关键。这些基因的不同组合和不同水平的表达导致了黏附偏好的差异，代表了该研究小组所称的黏附代码。这段代码对每一种细胞类型都是唯一的，并决定了每一种细胞类型在形态形成过程中与哪些其他细胞保持联系。
“我们观察的三种黏附分子在每种细胞类型中表达的数量都不同，”蔡说。“细胞使用这些代码优先依附于自己类型的细胞，这使得不同类型的细胞在模式形成过程中能够分离。但细胞也与其他类型的细胞保持一定程度的粘附，因为它们必须合作形成组织。通过拼凑这些局部的互动规则，我们可以描绘出全球的图景。”
由于粘附代码是细胞类型特异性的，研究人员推测它可能是由决定细胞命运的相同过程控制的——即形态生成信号。他们观察了干扰最著名的形态因子之一Sonic hedgehog (Shh)是如何影响细胞类型和相应的黏附分子基因表达的。
分析表明，细胞类型和黏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成立的，在那里细胞类型和黏附分子的基因表达模式一起改变以响应Shh活动的不同。
Megason说:“我们发现，这种形态不仅控制着细胞的命运，杏耀还控制着细胞的粘附。”法国国旗模型给出了一个粗略的草图，不同的附着力然后形成了精确的图案。结合这些不同的策略，似乎就是细胞在胚胎形成过程中如何在三维空间和时间中构建模式。”
研究人员正在进一步研究胚胎发育过程中形态因子信号转导和粘附之间的相互作用。作者说，目前的研究只观察了三种不同的细胞类型，还有许多其他的黏附分子候选物和形态因子有待分析。此外，形态因子如何控制细胞类型和黏附分子表达的细节仍不清楚。
作者说，更好地理解这些过程可以帮助科学家发现和反向工程一个单细胞卵子构建整个有机体的基本机制。这在生物技术可能产生深远的影响,尤其是对努力构建的人工组织和器官移植和测试新药的候选人。
“组织工程现在的问题是,我们不知道什么是基础科学,“Megason说。“如果你想在小溪上建一座小桥，也许你不需要了解物理学就可以做到。但如果你想建造一座大型悬索桥，你需要了解很多基础物理知识。我们的目标是弄清楚胚胎的那些规则是什么。”
