在顯微鏡下，每個多細胞生物生命的初幾個小時似乎混亂得很混亂。受精后，一個曾經平靜的單細胞卵一次又一次分裂，迅速變成肉眼可見的雜亂無章的卵池，這些卵池試圖在迅速生長的胚胎中定位。

 

然而，在這種明顯的pan癥中，細胞開始自我組織。很快，出現了空間模式，為構造組織，器官和從大腦到腳趾以及介于兩者之間的所有事物的精細解剖結構奠定了基礎。幾十年來，科學家們一直在深入研究這個稱為形態發生的過程，但是在許多方面仍然是令人迷惑的。

現在，哈佛醫學院和奧地利科學技術學院(IST)的研究人員發現了一種關鍵的控制機制，細胞可以利用這種機制在早期胚胎發育中自我組織。這項發現于10月2日發表在《科學》雜志上，闡明了多細胞生命的基本過程，并為改善組織和器官工程策略開辟了新途徑。

由HMS Blavatnik研究所系統生物學教授Sean Megason領導的一個小組研究斑馬魚胚胎中的脊髓形成，發現不同的細胞類型表達了粘附分子的*組合，以便在形態發生過程中進行自我分選。即使在發育中的胚胎中發生了廣泛的細胞重排，這些“粘附代碼”也決定了哪些細胞更喜歡保持連接，以及保持連接的強度。

研究人員發現，粘附代碼受形態發生子調控，形態發生子是長期已知的主要信號分子，可控制發育過程中的細胞命運和模式形成。結果表明，形態發生子的相互作用和粘附特性使細胞能夠以構建生物體所需的精度和一致性進行組織。

該研究的共同通訊作者麥格森說：“我實驗室的目標是了解生物形式的基本設計原理。” “我們的發現代表了一種解決形態發生問題的新方法，這是胚胎學中古老，重要的方法之一。我們認為這是進行此類工作的冰山一角。”

這組作者說，對細胞在早期發育中如何自我組織的見解還有助于工程化組織和器官以用于臨床用途，例如移植。

布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute)系統生物學研究員托尼·蔡(Tony Tsai)說：“為研究或醫學應用構建人造組織是至關重要的目標，但目前大的問題之一是不一致。” “從了解和逆向工程中可以學到一個明確的教訓，即正在發育的胚胎中的細胞如何能夠以這種健壯和可復制的方式構建生物體的成分。”

在Tsai的帶領下，與IST Austria的Carl-Philipp Heisenberg及其同事合作，研究團隊首先研究了形態發生成熟的框架之一，法國國旗模型。

在該模型中，形態發生子從胚胎中的局部來源釋放，使附近的細胞比遠處的細胞暴露于更高水平的信號分子中。細胞暴露于何種形態發生素會激活不同的細胞程序，特別是那些決定細胞命運的程序。因此，形態發生子的濃度梯度將圖案“繪制”到細胞群上，喚起法國國旗的*色帶。

但是，此模型有局限性。Megason實驗室先前的研究在整個斑馬魚胚胎中使用活細胞成像和單細胞跟蹤，以顯示形態發生子信號可能嘈雜且不jing確，尤其是在“標志”的邊界。另外，發育中的胚胎中的細胞不斷分裂并處于運動狀態，這可能會擾亂形態發生信號。這導致細胞類型的初始混合圖案。

盡管如此，即使在嘈雜的開始時，細胞也會自動分選為jing確的模式，在當前的研究中，研究小組著手了解如何進行。他們專注于50年前提出的假設，即差異粘附。該模型表明細胞粘附于某些其他細胞類型，其自我分選的方式類似于油和醋隨時間的分離方式。但是，幾乎沒有證據表明這在構圖方面起作用。

為了進行研究，Megason，Tsai及其同事開發了一種方法來測量細胞相互粘附的力。他們將兩個單獨的細胞放在一起，然后用來自兩個微量移液器的jing確控制的吸力將其拉到每個細胞上。這使研究人員能夠測量將細胞拉開所需的jing確力量。通過一次分析三個單元，它們還可以建立粘附偏好。

研究小組使用這項技術研究了三種不同類型的神經祖細胞的模式，這些神經祖細胞參與了斑馬魚胚胎的新生脊髓的構建。

實驗表明，相似類型的細胞牢固且優先地相互粘附。為了鑒定相關的粘附分子編碼基因，研究人員使用單細胞RNA測序分析了每種細胞類型的基因表達譜。然后，他們使用CRISPR-Cas9一次阻止一個候選基因的表達。如果圖案的形成被破壞，他們將應用拉力試驗來觀察分子對粘附的貢獻。

N-鈣粘著蛋白，鈣粘著蛋白11和原鈣粘著蛋白19這三個基因對于正常模式至關重要。這些基因的不同組合和不同水平的表達是粘附偏好差異的原因，代表了該團隊所稱的粘附代碼。該代碼對于每種細胞類型都是wei一的，并確定每種細胞類型在形態發生過程中保持連接的其他細胞。

蔡說：“我們觀察到的所有三種粘附分子在每種細胞類型中均以不同的量表達。” “細胞使用該代碼優先粘附到其自身類型的細胞，這使得不同的細胞類型可以在模式形成過程中分離。但是細胞還必須與其他細胞類型保持一定水平的粘附性，因為它們必須協作形成組織。將這些本地交互規則組合在一起，我們可以闡明全局圖景。”

由于粘附代碼是特定于細胞類型的，因此研究人員假設它可能由決定細胞命運的相同過程控制，即形態發生子信號傳導。他們研究了如何干擾一種著名的形態發生子-聲波刺猬(Shh)，如何影響細胞類型和相應的黏附分子基因表達。

分析表明，細胞類型和粘附分子基因表達在水平和空間位置上都高度相關。這在整個新生脊髓中都適用，其中細胞類型和粘附分子的基因表達模式根據Shh活性的不同而一起改變。

麥格森說：“我們發現這種形態發生素不僅控制細胞命運，而且還控制細胞粘附。” “法國國旗模型給出了一個粗略的草圖，然后不同的粘附力形成了jing確的圖案。結合這些不同的策略似乎是細胞如何在3D空間和時間上隨著胚胎的形成建立圖案。”

研究人員現在正在進一步研究發育中的胚胎中嗎啡信號轉導和粘附之間的相互作用。這組作者說，當前的研究只研究了三種不同的細胞類型，還有許多其他的粘附分子候選物和形態發生子還有待分析。此外，關于形態發生子如何控制細胞類型和粘附分子表達的細節仍不清楚。

作者說，更好地理解這些過程可以幫助科學家發現和逆向工程，即單細胞卵構建整個生物體的基本機制。這可能會對生物技術產生深遠的影響，特別是對于建立用于移植或測試新藥物候選物的人造組織和器官的努力。

Megason說：“目前組織工程學的問題是我們只是不知道基礎科學是什么。” “如果您想在流上建立一個小橋，也許您可??以在不了解物理的情況下做到這一點。但是，如果您想建造一個大型的懸索橋，則需要對底層物理有很多了解。我們的目標是弄清楚這些規則對胚胎有什么影響。”

來源：生物幫

 

胎牛血清 在細胞培養中的作用：

1. 提供對維持細胞指數生長的激素，基礎培養基中沒有或量很少的營養物，以及主要的低分子營養物。

2. 提供結合蛋白，能識別維生素、脂類、金屬和其他激素等，能結合或調節它們所結合的物質活力。

3. 有些情況下結合蛋白質能與有毒金屬和熱原質結合，起到解毒作用。

4. 是細胞貼壁、鋪展在塑料培養基質上所需因子來源。

5. 起酸堿度緩沖液作用。

6. 提供蛋白酶抑制劑，使在細胞傳代時使剩余胰蛋白酶失活，保護細胞不受傷害。

7. 參與細胞凍存。

在細胞培養中，胎牛血清加入基礎培養基的濃度大多為5%～20%（常見為10%）的。具體到不同試驗，應依據文獻報導，或細胞類型或基礎培養基的成分來確定較佳濃度。

胎牛血清應在-20℃儲存，運輸應干冰冷鏈運輸，避免反復凍融，確保血清中因子活性不受影響，保證血清優良品質。