Cell：新研究揭示胚胎组织经历了相变

2021年3月23日讯/生物谷BIOON/---当奥地利科学技术研究所的研究人员观察发育中的斑马鱼胚胎时，他们观察到了一个突如其来的巨大变化：在短短几分钟内，固体状的胚胎组织变成了液体状。是什么原因会导致这种变化，它在胚胎的进一步发育过程中起什么作用？在一项新的多学科研究中，他们找到了答案，这可能会改变我们对发育和疾病中关键过程（比如肿瘤转移）的看法。相关研究结果于2021年3月16日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Rigidity percolation uncovers a structural basis for embryonic tissue phase transitions”。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.02.017。

要想更多地了解一束微小的细胞是如何发育成复杂的系统，如鱼、人类或像大象一样大的动物，许多科学家转向斑马鱼（Danio rerio）。它有几个优点，使它成为像Nicoletta Petridou这样的发育生物学家最喜欢的模型生物之一。首先，这种小型的有条纹的鱼在短短几天内就发育完毕，胚胎在母体外进行发育，而且是透明的---可以看到它发育时的每一种器官。在观察受精后几小时的斑马鱼胚胎时，Petridou和她的同事们在之前的一项研究中已发现，胚胎组织的粘度突然发生了变化---这是衡量一种组织抗变形能力的标准。Petridou解释说，“在这个早期阶段，形成胚胎的组织是非常僵硬的，但突然间，粘度下降了十倍，这种组织流动得非常快--它液体化了。”

小变化-大影响

与此同时，斑马鱼胚胎开始第一次改变其形状，从而进入一个称为形态发生的阶段。在这项新的研究中，这些研究人员更深入地研究了组织液体化过程中在细胞水平上发生的事情。Petridou说，“我们发现，在这种液体化之前，单个细胞与其相邻的四到五个细胞相连。然而，在液体化开始时，它只剩下三到四个相邻的连接。细胞连接性的这一微小变化是否真地是组织粘度相差十倍的原因？这时我们转向物理学，它为我们提供了一个可以解释这种效应的框架。”

作为Edouard Hannezo研究团队的一员，Bernat Corominas-Murtra说，“因此，Nicoletta发现这种组织粘度在宏观层面的巨大下降，显然与微观细胞连接层面的情况不相匹配。这是物理学的一个关键点：将微观层面发生的事情与宏观层面联系起来。”

通过用材料科学做类比，这些研究人员意识到，每个细胞有四个相连的相邻细胞实际上是一个非常特殊的阈值：19世纪的物理学家James Clerk Maxwell已经意识到，低于这个连接水平的桥梁或网络等结构不可能是刚性的了。这恰恰与实验观察到的当细胞与少于4个相邻细胞连接时，会发生组织液体化的现象相吻合。利用这个类比，他们能够证明，组织液体化显示出相变的特征。相变指的是从物质的一种状态（比如固体、液体或气体）过渡到另一种状态。

一个关键点

在发现这种类似于相变的现象后，这些研究人员通过操纵细胞的连接性来挑战他们的理论。无论何种操纵，连接性的临界点都足以解释实验观察到的组织粘度的突然变化。此外，他们从非生命系统的物理学角度追踪到了所有预期的相变特征。Corominas-Murtra热情地解释道，“能够在一个真实的、有生命的系统中追踪到相变的所有预期特性是独一无二的。特别是因为这种相变理论是针对有十亿个成分的系统而提出的，然而，我们这里讨论的是一个只有几百个成分的系统。”

但是，如果每个细胞只失去一个连接，就足以引发胚胎组织发生如此重大的变化，那么如何避免意外的变化呢？Petridou说，“让我非常疑惑的是，这似乎是一个对胚胎非常危险的过程。如今我们知道有一个临界点，我们可以问是什么调节它的平衡。我们发现的其中一个规律是细胞分裂的时间，它决定了组织的连接性以及它的黏度在空间和时间上的变化。”

从斑马鱼胚胎到肿瘤研究

这种相变对斑马鱼胚胎的进一步发育至关重要。然而，它似乎也在癌症的生长中发挥了作用。最近的研究表明，当肿瘤发生转移时，组织也会突然从固体变为液体，这可能使癌细胞更容易移动。Petridou说，“如果能追踪到这个关键点，就开辟了操纵它的方法。我们还没有这样的工具，但与其在概念上关注大量可能在癌症生长中发挥作用的基因，不如关注这个最终导致这种相变的关键点。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Nicoletta I Petridou et al. Rigidity percolation uncovers the structural basis of embryonic tissue phase transitions. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.02.017.

2.Embryonic tissue undergoes phase transition
https://phys.org/news/2021-03-embryonic-tissue-phase-transition.html