钙黏蛋白调控类胚胎自组织能力：Snai1介导的多能性退出与N-钙黏蛋白失活增强体节模式形成

《Cell Reports》：Cadherins modulate the self-organizing potential of pseudo-embryos

本研究针对类胚胎结构自组织能力的内在调控机制，揭示了Snai1通过协调钙黏蛋白转换（E-cadherin到N-cadherin）和细胞特异性多能性退出时序，从而驱动小鼠胃类器官（gastruloid）的稳健自组织。意外发现N-cadherin失活可显著增强形态发生潜能，实现无需外源细胞外基质（ECM）的体节头尾模式化。该工作为理解胚胎模式形成提供了分子框架，并为体外构建类胚胎结构提供了新策略。

在胚胎发育的奇妙旅程中，原肠胚形成（gastrulation）是一个至关重要的阶段，此时细胞开始大规模迁移、分化，并逐步构建出具有明确轴向的胚胎结构。然而，这一复杂过程背后的分子机制，尤其是细胞如何在没有外部指令的情况下自发组织成有序结构（即自组织），仍是发育生物学领域的核心问题。近年来，科学家利用胚胎干细胞（ESCs）成功培育出类胚胎结构——胃类器官（gastruloids），这些三维模型能够在体外模拟胚胎的轴向建立和细胞分化，为研究自组织提供了强大工具。尽管胃类器官能展现出令人惊叹的自我模式化能力，但其内在的调控网络，特别是细胞间粘附分子如何参与其中，尚不清晰。

以往研究表明，细胞表面的钙黏蛋白（cadherins）家族，尤其是E-钙黏蛋白（E-cadherin, Cdh1）和N-钙黏蛋白（N-cadherin, Cdh2），在细胞识别、粘附和迁移中扮演关键角色。在胚胎发育过程中，上皮-间质转化（EMT）往往伴随着从E-钙黏蛋白到N-钙黏蛋白的“转换”（cadherin switch），这一过程受到转录因子Snai1的调控。然而，在胃类器官这一简化模型中，钙黏蛋白的动态变化是否以及如何驱动其自组织，仍是一个待解的谜题。此外，虽然添加细胞外基质（ECM，如Matrigel）能帮助胃类器官形成更复杂的结构（如体节），但这并非其内在能力的体现。探索不依赖外源ECM的自组织机制，将更深刻地揭示胚胎发育的本质。

为了回答这些问题，由Alexandre Mayran和Denis Duboule等人领导的研究团队在《Cell Reports》上发表了他们的最新成果。他们利用小鼠胃类器官模型，结合高时间分辨率的转录组学、表观遗传学和先进的成像技术，深入解析了自组织能力获得和丧失的关键时间窗口，并揭示了Snai1调控的钙黏蛋白转换在这一过程中的核心作用。更令人意外的是，他们发现N-钙黏蛋白的缺失非但没有破坏自组织，反而“解锁”了胃类器官更高的形态发生潜能，使其能够在没有外源ECM的情况下形成具有头尾模式（rostro-caudal patterning）的体节样结构。这一发现挑战了关于N-钙黏蛋白在形态发生中作用的传统认知，为理解组织流动性（tissue fluidity）在模式形成中的贡献提供了新视角。

研究人员主要运用了小鼠胚胎干细胞（mESCs, 129/svev背景）培养胃类器官、基因编辑技术（CRISPR/Cas9）构建Snai1和Cdh2基因敲除细胞系、单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析细胞异质性和动态变化、ATAC-seq分析染色质开放性、免疫荧光染色和杂交链式反应（HCR）进行蛋白和RNA的空间定位、以及活体成像等技术手段。

胃类器官自组织能力对内外源变异具有韧性

研究首先发现，胃类器官的自组织能力存在一个关键的时间窗口。在对称性打破（约96小时）之前，即使将胃类器官解离并重新聚集，其仍能正常伸长和模式化；但在此之后，这种能力则丧失。单细胞转录组分析显示，早期（72小时）胃类器官中存在一种“盐胡椒”式的、随机激活的前原条（Anterior Primitive Streak, APS）基因程序，但到了后期（120小时），基因表达模式变得高度一致，表明存在一种强大的校正或细胞分选机制，确保了最终模式的稳健性。

自组织过程中转录模块的时序控制

通过高时间分辨率（每6小时）的转录组分析，研究人员刻画了自组织能力获得期间详细的分子事件。他们鉴定出15个时间调控模块，其中多能性网络的抑制分为两波：一波较早（约54小时），另一波较晚（约84小时），且后者（包含Oct4/Pou5f1和Cdh1）的抑制在APS细胞中率先开始，提示多能性退出存在细胞特异性节奏。同时，中胚层和神经命运偏向在约66小时即可被检测到，并与多能性退出速度相关。在90小时，早期转录程序被抑制，而后部体节前中胚层（PSM）和神经中胚层祖细胞（NMPs）等更分化状态被建立，这一时间点恰与自组织能力丧失相吻合。

自组织依赖于细胞特异性协调的钙黏蛋白转换

对钙黏蛋白动态的分析表明，Cdh2（N-cadherin）的转录在72小时开始广泛激活，而Cdh1（E-cadherin）的抑制则始于72小时的APS细胞，并在84小时后才在蛋白水平上稳定下调。免疫荧光显示，在78小时，所有细胞均表达E-钙黏蛋白，而N-钙黏蛋白尚未检测到。到90-96小时，N-钙黏蛋白广泛表达，而E-钙黏蛋白的抑制仅发生在特定区域。这种E-钙黏蛋白抑制的时空特异性被认为是该转换的限速步骤。重要的是，E-钙黏蛋白的抑制与Snai1的表达以及中胚层标志物TBX6的激活密切相关，而与神经谱系标志物SOX2的表达呈互补模式。将72小时胃类器官解离重聚后，E-钙黏蛋白高表达（SOX2阳性）和N-钙黏蛋白高表达（TBX6阳性）的细胞域仍能正确分选，但100小时重聚的则不能，强烈支持细胞分选是自组织的基础。

Snai1通过设定多能性退出的抑制节奏来协调稳健的自组织

Snai1功能缺失导致胃类器官自组织严重缺陷，形态多变，轴向标记基因（如Meox1, Hoxb9）表达混乱。分子机制上，Snai1缺失并不显著影响N-钙黏蛋白的诱导，但严重阻碍了E-钙黏蛋白的抑制。在突变体中，E-钙黏蛋白的抑制缓慢且同步发生在所有细胞中，而非野生型中观察到的中胚层细胞先于NMPs/神经细胞的异步抑制。ATAC-seq分析揭示，Snai1对于在96小时关闭与多能性相关的染色质开放区域（包括Cdh1和Pou5f1的调控元件）至关重要，而对于96小时新开放的、与中胚层分化相关的染色质区域影响较小。这表明Snai1主要通过抑制多能性程序来协调自组织，其缺失导致细胞停滞在类似尾侧外胚层（caudal epiblast）的未成熟状态，中胚层分化受阻，而神经分化相对增强。

N-钙黏蛋白失活与体节组织的头尾模式化

与Snai1突变表型相反，Cdh2（N-钙黏蛋白）敲除的胃类器官表现出更强的伸长能力，且后极标记（如Hoxb9, T/Bra, TBX6）模式正常。令人惊讶的是，Cdh2-/-胃类器官在没有添加任何外源ECM（如Matrigel）的情况下，自发形成了环绕FOXC1阴性区域的、相互连接的节段状结构。通过高分辨率成像和杂交链式反应（HCR）证实，这些结构呈现出交替表达Tbx18和Uncx的体节样区室，并具有正常的周期性，但其形成不依赖于上皮化（缺乏顶-基极性）。转录组分析显示Cdh2-/-与野生型无显著差异，表明这种增强的形态发生潜能源于现有细胞的物理重组，而非细胞命运的转变。

在Cdh2嵌合胃类器官中，连贯的组织模式主导于N-钙黏蛋白表达状态

为了进一步探究N-钙黏蛋白的作用，研究人员构建了野生型与Cdh2-/-细胞的嵌合胃类器官。结果表明，无论N-钙黏蛋白表达状态如何，嵌合体均能形成连贯的AP轴和体节模式，细胞命运（如SOX2⁺神经前体与TBX6⁺中胚层）的正确分离不受影响。在嵌合体前部，N-钙黏蛋白阳性的细胞倾向于聚集在内侧，并展现出面向外侧突变细胞的顶-基极性，而E-钙黏蛋白的表达始终局限于SOX2阳性细胞。这说明细胞的身份和整体组织模式优先于钙黏蛋白介导的简单分选，组织流动性（fluidity）的差异可能在模式形成中起主导作用。

研究结论与意义

本研究系统地阐明了胃类器官自组织能力的分子基础，提出了一个由Snai1协调的、细胞特异性的多能性退出和钙黏蛋白转换模型。Snai1通过抑制E-钙黏蛋白和关闭多能性染色质景观，设定了中胚层细胞更快的“多能性退出节奏”，从而与NMPs/神经细胞产生差异，驱动基于组织流动性差异的细胞分选和轴向建立。尤为重要的是，研究发现N-钙黏蛋白并非自组织所必需，其失活反而通过降低组织表面张力或增加组织流动性，释放了胃类器官形成体节头尾模式的潜能，这为理解形态发生提供了新范式。

该研究不仅深化了对胚胎自组织原理的认识，揭示了染色质调控、细胞命运决定和组织力学之间的内在联系，而且为体外构建更复杂的类胚胎结构提供了新的思路——通过调控细胞粘附特性而非依赖外源信号或基质。同时，研究也提示，不同钙黏蛋白家族成员在组织构建中可能扮演着比简单“分选标签”更为复杂的角色，组织整体的连贯性和物理性质可能占据主导地位。这些发现对再生医学、组织工程和发育疾病模型研究具有重要的启示意义。