大家好,今天小编来为大家解答以下的问题，关于最新研究揭秘：形态发生素如何影响器官发育过程，这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

每个发育中的胚胎都蕴藏着自组装的秘密：有机体在制造其组成部分的过程中如何塑造自身？

在一项新的研究中，由洛克菲勒大学形态发生实验室联合主任艾伦·罗德里格斯和艾米·谢尔领导的团队揭示了信号分子如何通过采用整体而非还原论的方法来研究组织形成来塑造发育。器官的生物物理过程。相关研究成果近日发表在《Science》杂志上。这篇论文的标题是“形态发生剂能够使细胞上相相互作用，从而产生器官结构”。

这项新研究基于思维的根本转变，旨在为器官发育的研究提供更广泛、更有意义的背景，甚至可能转化为对许多人类疾病的更有效的诊断和治疗。

“推动我们大部分研究的问题是数千个细胞如何聚集在一起以在组织中产生有序模式，”罗德里格斯说。 “我们的结果表明，除了分子和单个细胞之外，还有一种新兴的秩序需要考虑。”

器官发育鸟瞰图

先前关于器官发育的研究主要依赖于形态发生素，也称为形态发生素，是在影响细胞特性和行为方面发挥关键作用的信号分子。先前的开创性研究表明，多种形态发生素发生突变时，会导致器官畸形。

然而，大多数关于形态发生素的研究都集中在这些信号分子如何在遗传或分子水平上逐个细胞地发挥作用，并假设组织形成的复杂编排最终由每个细胞中表达的基因决定。罗德里格斯和谢尔推测，对注定要形成组织的整个细胞群（即所谓的细胞集体规模）采取更广泛的看法，可能会在很大程度上解释迄今为止仍无法解释的问题。

“形态发生素对于发育至关重要，但关于它们如何参与组织形成，特别是当数千个细胞共同参与时，仍有许多未解答的问题，”Shyer 说。 “我们正在尝试超越个体细胞的思考，在更大范围内研究组织的形成。”

为了证明器官发育鸟瞰图的重要性，罗德里格斯和谢尔使用发育中的鸡皮肤作为模型。他们选择这个模型系统是因为它具有理想的复杂性：皮肤发育成一片平坦的薄片，中间有一系列的凹凸，这意味着它足够简单，但也足够复杂，足以捕捉人体器官固有的复杂性。模型。通过研究细胞尺度之外的皮肤胚胎组织，他们希望确定器官中的新结构是如何形成的。

皮肤结构在鸡胚发育的关键时期形成，大约一周，类似于人类在子宫内发育的一个月左右。罗德里格斯解释说，“这是一个独特而关键的阶段，人类几乎与牛、老鼠或鸡没有什么区别。在这个阶段，你获得了终生保持不变的组织结构。脊椎动物在这个阶段看起来非常相似，这表明有深刻的保守原则。”

粘度、弹性和机械活性

在确定了胚胎皮肤发育的关键拐点后，作者开始在细胞的集体规模上对其进行分析。他们重点研究真皮细胞集体暴露于形态发生素时材料和机械特性的变化：粘度、弹性和机械活性。

将研究重点放在细胞集体而不是单个细胞上，提供了一种观察具有功能意义的特征的方法，否则这些特征可能会被忽视。单个心脏细胞无法泵血，单个神经元无法谱写歌剧；心脏和大脑只有通过集体行动才能充分发挥作用，而集体行动在某种程度上超出了其组成单元的能力。研究此类复杂系统的人将这种现象称为“涌现属性”，因为这些能力并不存在于任何单个组件中，而是通过它们之间的动态相互关系而产生。

图片来自《科学》，2023 年，doi:10.1126/science.adg5579。

这些作者假设细胞集体的新兴特性可以反映在物理特性中，例如粘度、弹性和机械活动。 “挑战在于通过实验捕获这些新出现的特性，并证明这些特性存在于细胞的集体水平上，”罗德里格斯说。

这些作者开发了测量超级电池物理特性的技术。其中一种测量方法涉及原子力显微镜，它通过用探针探测整个组织并测量其硬度来测试整个组织的材料特性。 “细胞集体规模的好处在于，你实际上可以拉动和推动它。这是一种非常有触觉的方法，”谢尔说。

作者还使用了另一种称为“球体融合”的测试，其中他们描述了两个“球体”细胞簇在彼此相邻放置时如何融合在一起。谢尔说：“当两个雨滴接触时，它们很快合并成一个大水滴，这表明它们是流体。另一方面，当两个台球彼此相邻放置时，它们保持分离，这表明它们是液体。”具有固体性质。“当用特定的形态发生素——骨形态发生蛋白（BMP）处理时——球状细胞簇像水一样融合在一起。然而，当球体用另一种形态发生素——成纤维细胞生长因子（FGF）处理时，它们只是像两个粘土球一样部分融合在一起，这表明它们的硬度。增加。

然后，作者着手探索超级电池物理特性的这种变化如何产生新的结构。他们将定量生物物理模型与实验数据相结合，提供了证据表明固体核心被活跃的流体边缘包围，从而产生了机械不稳定的几何形状。这种不稳定性会自行解决，并在此过程中形成突出到皮肤平面之外的凸起。

受亚细胞尺度思维的影响，该领域长期以来认为这些突起是基于单个细胞的迁移或局部增殖。相比之下，新研究表明，创造新器官结构的关键物理效应发生在超细胞尺度上。

“这足以形成皮肤和毛囊的形状，”谢尔说。 “所以我们看到的是，形态发生素并不直接协调器官的塑造。它们的作用是通过超细胞特性和过程来介导的，我们今天才刚刚开始意识到这一点。”

当没有确凿证据时

尽管只有考虑到单细胞以外的特性，这些发现才有可能，但谢尔指出，形态发生素确实在细胞水平上发挥着关键作用。 “当然，当用BMP 或FGF 处理时，每个细胞内都会发生分子变化，”她说。

事实上，这些作者鉴定了细胞群体内的分子特征，并发现细胞骨架以及细胞外基质的组成和排列发生了关键变化。此外，单细胞测序表明，单个形态发生素可能改变数十至数百个基因的表达。同时，从材料的角度来看，这些分子变化的贡献发生在超细胞尺度上。

将焦点转移到集体细胞尺度可能会对人类健康产生影响。例如，由于生长的肿瘤与胚胎结构具有共同的特征，作者现在正在使用他们的方法来探索癌症的生长。

“我们的假设是，如果不研究细胞上水平的肿瘤组织，我们将无法完全理解为什么单个突变细胞会形成肿瘤，”罗德里格斯说。为了追寻这一线索，作者目前正在调查他们的方法如何能够为卵巢癌研究提供信息。

采用超细胞方法可能会开辟疾病诊断和治疗的新范例。罗德里格斯解释说：“数百个基因的微妙调整可能会合并成新兴的材料和机械特性，从而导致健康组织的破坏。潜在的超细胞特性数量相对有限，可能为治疗许多疾病打开大门。”它为没有确凿分子证据的疾病领域提供了急需的立足点。”（Bioon.com）

参考：

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