The Innovation | 干细胞自组装形成合成胚胎的细胞力学机制

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人体内部很多组织和器官是由不同细胞自组装形成，这些细胞之间能够自发调控各自的空间位置，自我组装形成各向异性或各向同性的结构，并发挥其生物学功能。在哺乳动物胚胎发育早期，细胞自组装的这种特性表现得尤为明显；胚胎内部不同的干细胞通过相互交流和调控，自组装形成一个高度有序的三维结构，最终发育成不同的组织和器官。不同的干细胞只有正确完成这种自组装，胚胎才能正常有序地生长和发育，一旦组装过程出现错误，胚胎的发育、形态发生和组织器官结构等都会受到很大影响，并可能导致胚胎发育停止或器官先天缺陷。因此，研究干细胞自组装的分子调控机制以及自组装后的不同组装体构造如何影响细胞命运和胚胎发育，将为早期生命研究和先天性疾病治疗等提供理论依据。

图1 图文摘要

前期研究表明，不同细胞在自组装过程中，细胞与细胞之间的力学性能（如粘附力和界面张力）和细胞本身的力学性能（如表面张力和收缩力）对于自组装过程和结果起着重要的调控作用。经典的热力学理论（DAH，差异粘附假说）将细胞自组装现象归因于细胞与细胞之间粘附力的差异，但“差异粘附假说”近年来受到“DITH，差异界面张力假说”的挑战，后者认为细胞表面张力或弹力以及由肌动蛋白驱动的收缩力在细胞自组装过程中起着重要作用。虽然这两个理论均可通过体外两种细胞简单混合的方法得以部分验证，但是它们仍未能解释干细胞自组装的相对影响和协同作用。因为哺乳动物胚胎着床后是无法分离于体外长期培养，通过常规实验手段（如免疫荧光染色，实时成像等）很难去研究其自组装机制。鉴于研究手段的局限性，目前干细胞自组装对细胞命运的影响仍未见报道。

近期，剑桥大学和加州理工学院的Magdalena Zernicka-Goetz课题组在Nature Cell Biology的研究部分回答了这个科学问题。研究人员首先分离了小鼠囊胚期三种谱系干细胞（EPI, TE和PE），利用合成胚胎学原理，体外构建了基于干细胞的“合成胚胎”（无需精子和卵子）。这种合成胚胎不仅在结构和功能上高度还原了小鼠胚胎着床后发育过程，而且由于这种高度有序的合成胚胎结构是不依赖于外源生长因子或形态发生素，在体外细胞自组装形成，因此为细胞自组装机制研究提供了理想模型。

首先解决的科学问题是细胞间粘附力是否有差异。研究人员利用原子力显微镜、细胞接触角和ImSAnE图像分析等仪器和方法，发现发生自组装前后同型和异型干细胞之间确实存在不同粘附力，但在实验过程中出现了大量的错误组装结构。通过基于细胞波茨模型（CPM）的数值模拟发现，这种差异粘附力并不能完全解释不同自组装结果，提示经典生物力学理论（DAH）并不完善。

其次解决的科学问题是细胞间的粘附力怎么调控？研究人员利用单细胞测序方法分析自组装前后合成胚胎以及天然胚胎中的各种细胞成分，并进一步利用免疫荧光染色方法分析了粘附力相关基因和蛋白的表达情况，筛选出了在不同细胞中高表达的三个钙黏蛋白，ES和EPI高表达的Cdh1, TS和TE高表达的Cdh3, XEN和PE/VE高表达的Cdh6，研究发现这三种蛋白能够特异调控不同细胞的粘附力。随后，研究人员将不同钙黏蛋白高表达的ES注射进8细胞期胚胎，发现钙黏蛋白能直接影响细胞在体内组装至不同胚层；同时，在不同的细胞中敲除不同的钙黏蛋白后会显著影响合成胚胎的构建效率。因此，三种钙黏蛋白形成的“粘附密码”在体内外调控细胞自组装。

研究发现在很多错误组装结构中，钙黏蛋白的表达不均一，但这是否会影响细胞自组装？为解决该问题，研究人员利用流式细胞分析方法检测不同细胞中钙黏蛋白表达的均一度，分选出钙黏蛋白表达程度不一致的细胞进行自组装，结果发现越是钙黏蛋白表达均一度高的细胞，自组装后更易形成正确组装体。而钙黏蛋白表达均一度低的细胞，在自组装过程中常会发生空间错误定位。因此，通过调控特异性钙黏蛋白的均一度，会影响合成胚胎的构建效率。

为什么错误组装体不能主动修复这种错误？细胞在组装后的结构中为何不能主动改变自身的位置呢？为了解决这些科学问题，研究人员通过实时追踪自组装过程中不同细胞的实时情况，同时定量不同细胞的移动速率，发现细胞在组装过程中主动移动的速率会逐渐降低，这是由于组装体的表面张力和界面张力在自组装过程中会由于极化而增加。增加的张力会使整个组装体在组装前的流动态变成组装后的稳定态，从而导致错误组装体中的细胞不能主动修复自身空间位置的错误。

最后，为了认识正确组装体和错误组装体对于细胞的命运和形态发生的影响，研究人员通过高通量图像扫描拼接法，研究了上千个正确和错误组装体的后续生长发育行为。结果发现，在错误组装体中，由于空间定位错误导致细胞无法形成完整的基底膜, 而是形成间断的基底膜，这样会影响细胞极化和整合素表达，最终导致合成胚胎后续空腔的形成，发育终止。

总结与展望

研究人员利用基于干细胞的合成胚胎揭示了干细胞自组装的分子调控机制，发现DAH和DITH理论在组装的不同时间起到了不同作用。前者负责诱导细胞进行自组装，而后者可以让组装体维持组装后的稳定结构。自组装的正确与否直接影响后续胚胎形态发生和功能。值得注意的是，在局部尺度上细胞可以通过DAH完成分离和组装，而在整体尺度上，DAH并不能保证形成正确组装结构，细胞还需要均一表达的钙黏蛋白、移动低速率等条件来保证组装体的正确性，该发现在一定程度修正了DAH理论。本研究为理解干细胞自组装机制、组织器官形成、先天性疾病的发生发展、以及其他功能性组装体的调控机制等提供了重要实验依据。

责任编辑

郑棉海    中国科学院华南植物园

孙力超    中国医学科学院肿瘤医院

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00162-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第一期以Commentary发表的“Self-organization principles in stem-cell-derived synthetic embryo models” (投稿: 2022-10-07；接收: 2022-12-19；在线刊出: 2022-12-20)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100366

引用格式：Bao M. (2022). Self-organization principles in stem-cell-derived synthetic embryo models. The Innovation. 4(1),100366.

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