合作揭示了组织如何以清晰的结构生长

最近的进展使得组织培养物能够生长成类器官和胚胎，这引起了人们对组织生长在胚胎发育的自然过程中如何控制的兴趣。众所周知，信号分子(称为形态发生素)的扩散会指导组织有规律的生长，但更难理解的是，这种扩散产生的形态发生素梯度如何导致最终组织中形成界限分明的区域。

现在，一个多机构研究合作机构展示了一个简单的模型系统——利用3D球体进行模式逻辑探索的合成形态发生系统(SYMPLE3D)——该系统揭示了这一过程。研究结果发表在EMBOReports上。

之前的各种研究分别研究了形态发生素和细胞粘附在组织生长过程中的作用。然而，研究人员指出，最近的几项研究表明，参与神经管模式形成的形态发生素如何控制一类名为钙粘蛋白的粘附蛋白的表达，以形成清晰的结构。

在这些见解的启发下，他们设计了模型系统来研究形态发生素和钙粘蛋白之间的相互作用。他们强调了体内形态发生素如何同时诱导细胞特性的多种变化，这使得人们很难弄清楚到底发生了什么。

因此，正如他们在报告讨论中强调的那样，“SYMPLE3D为机械研究组织模式和工程类器官结构提供了一种新的合成生物学方法。”

SYMPLE3D使用两种类型的细胞：一种是GFP分泌细胞，它分泌GFP并表达P-钙粘蛋白，形成所谓的“GFP分泌组织者球体”。另一种是GFP接收细胞，最初设计用于表达一种名为“synNotch”的合成受体，该受体可识别GFP并诱导mCherry报告基因，即“imC细胞”。

第一阶段研究了GFP分泌细胞和受体细胞共培养的结果。他们发现，尽管imC细胞确实捕获了分泌的GFP，从而产生了GFP梯度，但产生的梯度包含异位活性细胞——高水平mCherry报告基因在梯度的不适当位置表达。

为了解决异位活性细胞的问题，Mizuno和Toda设计了​​GFP受体细胞，以诱导与mCherry融合的E-cadherin(一种细胞粘附分子)。令他们惊讶的是，分泌细胞和受体细胞之间出现了一个具有清晰边界的均匀激活组织域，而不是一个梯度。

这种清晰的边界对于生长条件的变化也具有很强的稳定性。由于添加E-钙粘蛋白这一单一因子就会导致图案发生显著变化，因此他们随后将重点放在了分子梯度和E-钙粘蛋白相结合的模型系统中的图案形成过程的机制上。

通过监测组织生长的实时过程，他们能够识别出经过工程改造以诱导mCherry融合E-钙粘蛋白的激活GFP接收细胞，这些细胞最初是分散的，但随着时间的推移会聚集在一起。

随后，异位活性细胞逐渐被吸收到该活性域中，导致mCherry正域和负域之间出现明显截断。他们还指出，其合成组织域有一个“有趣的方面”，即在活性域中，诱导E-cadherin-mCherry的分布均匀较高，而GFP的分布则呈梯度分布。

在这里，他们揭示了E-钙粘蛋白对于合成组织域形成的关键特性。他们分析了表达不同水平E-钙粘蛋白的细胞对不同量GFP的反应行为，发现无论细胞诱导低水平还是高水平E-钙粘蛋白，其行为都是相同的。

此外，他们还表明，诱导超过一定量的E-钙粘蛋白的细胞能够相互混合并形成单一细胞群，无论表达水平如何。

因此，在GFP梯度内混合诱导不同水平E-cadherin的细胞可使细胞均匀地接收GFP，因此E-cadherin的表达水平在合成组织域中均匀地变高。基于由差异粘附能控制的细胞运动的简单数学模型支持了他们的实验观察结果。

他们总结道：“我们的研究结果表明，通过将合成的形态发生素与细胞粘附控制相结合，可以在类器官中编程出一个具有清晰边界的新型组织域。”