基因并非唯一決定細胞如何構建多細胞結構、組織和器官的因素。在最近發(fā)表于《Nature Communications》期刊的一篇論文中，南加州大學(xué)干細胞研究中心的科學(xué)家Leonardo Morsut與加州理工學(xué)院的計算生物學(xué)家Matt Thomson共同探討了另一個(gè)重要的發(fā)育驅動(dòng)因素：細胞密度，即細胞在特定空間內的緊密程度或稀疏程度。通過(guò)計算模型和實(shí)驗室實(shí)驗，研究團隊成功地利用細胞密度控制小鼠細胞如何自我組織成復雜的結構。

南加州大學(xué)凱克醫學(xué)院干細胞生物學(xué)與再生醫學(xué)以及生物醫學(xué)工程學(xué)科的助理教授Morsut表示：“這項研究標志著(zhù)我們朝著(zhù)合成組織工程這一大目標邁出了重要一步。合成組織具有廣泛的潛力，可以用于多種研究和應用領(lǐng)域。”

研究團隊使用了兩種類(lèi)型的小鼠細胞——結締組織細胞和干細胞，這些細胞經(jīng)過(guò)基因工程改造，攜帶了一種合成的細胞通訊系統，或稱(chēng)“基因電路”。該電路基于Morsut開(kāi)發(fā)的一種名為“synNotch”的蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)被加入到細胞中，充當“傳感器”。該傳感器位于細胞表面，能夠感知外部信號，并激活細胞反應——通常是啟動(dòng)特定基因的表達。

在這項研究中，研究團隊利用synNotch蛋白啟動(dòng)一個(gè)包含綠色熒光的基因電路，同時(shí)為信號的傳播提供了進(jìn)一步的機制——盡管這個(gè)電路也可以用來(lái)激活任何基因。熒光使得細胞如何形成圖案變得更加容易觀(guān)察。例如，研究團隊能夠在細胞群體中創(chuàng )造出從中心向外輻射的綠色熒光環(huán)。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1049510

圖片信息：圓形細胞區域顯示模式梯度，綠色斑點(diǎn)的大小隨著(zhù)細胞密度的增加而減小。

意外的發(fā)現

在實(shí)驗過(guò)程中，研究的共同通訊作者、Morsut實(shí)驗室的博士后Marco Santorelli發(fā)現，相同基因的細胞并不總能形成相同的圖案。

Morsut回憶道：“當我們用基因相同的細胞進(jìn)行實(shí)驗，并改變它們的數量時(shí)，我們會(huì )看到不同的圖案結果。最開(kāi)始我們對此感到困惑。我記得Marco曾告訴我，實(shí)驗成功了，但僅僅是在培養皿的半部分。當我們仔細檢查時(shí)，我們發(fā)現細胞密度的梯度似乎與圖案的差異相關(guān)。”

在某個(gè)細胞密度的臨界點(diǎn)上，synNotch的效果減弱，無(wú)法形成相同的圖案。而且，隨著(zhù)細胞不斷分裂，細胞密度也在不斷變化，這與synNotch基因電路之間的復雜交互作用產(chǎn)生了影響。

計算模型的幫助

論文的另一位共同通訊作者、南加州大學(xué)與加州理工學(xué)院MD-PhD項目的候選人Pranav S. Bhamidipati對構建計算模型產(chǎn)生了濃厚興趣，旨在預測和解釋這種復雜且動(dòng)態(tài)的細胞行為。

Thomson教授表示：“對我而言，這是計算建模首次成功地預測了細胞行為的結果，且與實(shí)際觀(guān)察到的現象相符。這對我們非常有幫助，它促使我們重新思考細胞密度、增殖速度、信號傳遞等多重因素如何交織在一起。”

Morsut補充道：“我們很高興有了計算模型，它使我們能夠深入探索不同的模式，并理解如何從一種模式過(guò)渡到另一種。”

在計算模型的指導下，科學(xué)家們成功地利用細胞密度生成了多種可預測的熒光圖案，這些圖案會(huì )在特定的時(shí)間段內形成。

細胞密度的影響

為了更深入地理解細胞密度的作用，Morsut實(shí)驗室的博士后Josquin Courte進(jìn)行了一系列實(shí)驗，并得出了一個(gè)令人驚訝的結論：較高的細胞密度會(huì )導致細胞產(chǎn)生應激反應，從而加速synNotch蛋白及其他細胞表面傳感器的降解。

這一發(fā)現表明，細胞密度不僅是引導合成細胞的有效工具，也可用于引導自然細胞構建各種結構、組織和器官。

Morsut總結道：“自然界依賴(lài)細胞密度與基因電路共同作用，形成多樣的多細胞結構、組織和器官?，F在，我們可以借用這一策略，推動(dòng)合成多細胞結構的發(fā)展，最終實(shí)現結構和器官的構建。”

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-53078-8