Science：形态原使相互作用的细胞上阶段产生器官结构

原文题目：Morphogens enable interacting supracellular phases that generate organ architecture

通讯作者：ALAN R. RODRIGUES

隶属单位：洛克菲勒大学形态发生实验室

DOI：10.1126/science.adg5579

形态原是在组织形态的产生中起关键作用的分泌分子，但单个细胞效应如何“放大”以产生由数百到数千个细胞组成的超细胞结构仍然难以捉摸。专注于禽类皮肤，Yang et al.发现两种形态原使材料和机械性能在细胞上表现出来（参见Banavar和Nelson的Perspective）。因此，可以通过考虑突发的超细胞特性来理解形态原在大组织中的功能效应。

形态原使形成器官的细胞上阶段相互作用    

在脊椎动物器官形态发生过程中，大群细胞会稳健地自组织以形成结构单元（骨骼、绒毛、卵泡），其形式会持续到成年期。在过去的几十年中，器官形态发生的机制主要通过分子、遗传和细胞框架得到发展。最近，人们对器官形成过程中的集体细胞和组织力学重新产生了兴趣。这种方法扩大了澄清和明确链接跨生物长度尺度的事件的必要性。这样做可能需要重新评估继续指导该领域的规范模型。最公认的器官形成模型以形态原为中心，作为基因表达和形态模式的决定因素。形态原的经典观点是，形态原梯度以不同的空间顺序指定不同的基因表达。由于形态原表达与新出现的羽毛和毛囊共定位，因此皮肤已成为这种形态原预模式机制的典型例子。

图 1.真皮中不同结构域的出现与羽毛毛囊原基萌芽相吻合

最近在鸟类皮肤中的研究表明，被认为建立分子前模式的基因在羽毛毛囊形态开始之前不会局灶性表达。相反，真皮中间充质祖细胞的自组织启动了形态学模式并激活了新出现的卵泡中的形态原基因表达。间充质自组织用于启动模式的充分性已在离体重建系统中得到证明，其中真皮细胞和细胞外基质可以概括规则卵泡模式形成的过程。在这项工作中，研究人员问，如果不在皮肤上建立毛囊模式，形态原起什么功能作用？    

图 2.皮肤的分子表征揭示了具有不同信号传导活性的时空隔离的真皮结构域

在鸟类皮肤组织中，研究人员发现形态原成纤维细胞生长因子（FGF）和骨形态发生蛋白（BMP）在卵泡芽离开皮肤平面之前起作用。总之，这些形态原能够在卵泡的真皮内产生嵌套的空间域：FGF活性半球核心和周围的BMP活性边缘。在研究这些形态原在这些领域中的作用时，研究人员考虑了在超细胞尺度上出现的生物物理效应。研究人员使用原子力显微镜和微量移液器抽吸等技术测量材料特性，并使用定制测定法来研究这些形态原对细胞外材料和机械性能的影响。研究人员确定了形态原支持的超细胞材料特性差异（例如，弹性），这些差异在细胞尺度上是最小的或丢失的。具体来说，FGF“固化”真皮核心，而BMP保持流动性并增加边缘的机械活性。研究人员假设这两个物质上不同的相邻组织相的出现会产生一种不稳定性，即活跃的收缩性液体边缘将内部固化的核心推入表皮以诱导出芽。事实上，通过耦合定量相场建模和实验数据，研究人员发现这两个相会产生一个不稳定的复合物，通过出芽解决。    

图 3.生物物理测量揭示了超细胞尺度的涌现弹性变化

该研究表明，了解形态原在形态发生中的作用需要在细胞超尺度上表征涌现材料和机械性能。这与普遍的观点形成鲜明对比，即形态原的功能影响是可以在单个细胞尺度上表征的特性，例如浓度感应、增殖和趋化性。这种范式强调需要区分形态原的近端效应（包括调节单个细胞的基因表达）和它们的最终功能效应，后者能够形成能够进行形态转化的不同细胞上阶段。    

DOI：10.1126/science.adg5579

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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