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为解决哺乳动物胚胎发育中组织模式精准形成的机制问题，研究人员开展小鼠囊胚内细胞团模式化研究。结果发现 PrE 和上胚层细胞的作用机制及细胞比例的意义。该研究有助于理解胚胎发育，推荐科研读者阅读。
在生命的奇妙旅程中，胚胎发育一直是科学家们热衷探索的神秘领域。组织模式形成（tissue patterning）在胚胎发育过程中起着至关重要的作用，它协调着形态发生（morphogenesis）、细胞动态变化和命运决定。想象一下，小小的胚胎就像一个精密的建筑工地，细胞们在这个舞台上有序地分化、迁移，逐渐构建出复杂的组织和器官。然而，在哺乳动物胚胎发育的过程中，尽管存在着内在的发育变异性（developmental variability），但组织模式却能精确地形成，这背后的机制一直是个未解之谜。就好比在一场充满变数的演出中，演员们却总能准确无误地完成每一个动作，这其中的奥秘究竟是什么呢？
以小鼠胚胎为例，早期小鼠胚胎的大小在子宫内的胚胎之间差异可达四倍之多，而且经过实验操作的双倍或半倍大小的胚胎也能发育至足月。这就像是在建筑材料数量和形状都不确定的情况下，却能建造出一模一样的房子，实在令人费解。此外，早期哺乳动物胚胎缺乏像其他许多生物那样的形态发生素梯度（morphogen gradients）或其他形式的预模式（pre-patterning），却依然能实现精确的组织模式形成，这让科学家们困惑不已。在这个神秘的胚胎发育世界里，迫切需要有人来揭开这些谜团，于是，这项研究应运而生。
为了探寻这些问题的答案，研究人员在《Nature Cell Biology》期刊上发表了题为 “Tissue patterning by salt-and-pepper cells in the mammalian blastocyst” 的论文。他们通过深入研究，得出了一系列重要结论。研究发现，哺乳动物囊胚（blastocyst）中的 PrE 细胞和上胚层（epiblast）细胞通过独特的方式对小鼠囊胚的内细胞团（inner cell mass，ICM）进行模式化。并且，尽管 EPI 和 PrE 细胞的比例是固定的，但这种比例是物种特异性的，与胚胎大小和组织几何形状相适应，这使得胚胎在发育过程中能够抵抗自然大小的变化，确保组织模式的稳健性（robustness）。这一研究成果为我们理解哺乳动物胚胎发育的机制提供了新的视角，意义重大。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过免疫手术（immunosurgery）分离出 ICM，这样可以更方便地研究细胞的动态变化；利用荧光报告基因（fluorescent reporter）和活细胞成像（live imaging）技术，实时观察细胞的运动和变化；借助微吸管 aspiration 技术，测量细胞的表面张力；运用计算模拟（computational simulations）的方法，构建细胞 Potts 模型（cellular Potts model，CPM），从理论上探究细胞间的相互作用和组织模式的形成机制。这些技术方法就像是研究人员手中的魔法工具，帮助他们一步步揭开胚胎发育的神秘面纱。
下面我们来详细看看研究人员都有哪些重要发现。
1. 不同的 EPI 和 PrE 细胞运动是 ICM 中细胞分离的基础
研究人员首先面临的挑战是如何在囊胚腔不断变化的情况下研究细胞动态。他们巧妙地通过免疫手术从整个囊胚中分离出 ICM，这个方法就像是给细胞们搭建了一个简化的舞台，让研究人员能更清晰地观察它们的 “表演”。通过对分离的 ICM 进行活细胞成像，并使用自定义的半自动核检测和跟踪程序，研究人员发现 EPI 细胞和 PrE 细胞的运动方式截然不同。在细胞分选的早期阶段，位于 ICM 表面的 EPI 细胞会迅速向内移动，而表面的 PrE 细胞并没有这种定向运动；同时，内部的 PrE 细胞比内部的 EPI 细胞有更多向外的运动。这就好比在一个大房间里，不同类型的细胞有着各自独特的 “行走路线”，这些不同的 “路线” 推动了细胞的分离。
2. 顶端结构域降低表面张力，使 PrE 细胞定位在流体界面
为了进一步了解细胞的行为，研究人员通过生成荧光嵌合 ICM 来观察细胞形状的动态变化。他们发现，PrE 细胞到达表面时会发生形状改变并变扁平，而 EPI 细胞则更圆润。这一现象就像不同性格的人，PrE 细胞更愿意 “舒展自己”，而 EPI 细胞则更 “内敛”。通过免疫染色和微吸管 aspiration 技术，研究人员发现 PrE 细胞的细胞 - 流体界面张力较低，这是因为 aPKC 等蛋白在 PrE 细胞的顶端结构域（apical domain）发挥作用，降低了表面张力。为了验证这一发现，研究人员还进行了嵌合体实验，结果表明顶端极化（apical polarization）足以使 PrE 细胞留在流体界面，就像有一种无形的力量，专门把 PrE 细胞 “拉” 到了表面。
3. PrE 细胞的定向迁移依赖于肌动蛋白动力学和 RAC1
在研究了细胞在表面的行为后，研究人员又把目光投向了 ICM 内部的细胞动态。他们生成了大型的镶嵌囊胚，以便更好地观察细胞的运动。结果发现，PrE 细胞会通过突起向充满液体的腔室迁移，而 EPI 细胞则留在 ICM 内。这就好像 PrE 细胞收到了特殊的 “指令”，要朝着特定的方向前进。通过一系列实验，研究人员发现抑制肌动蛋白聚合（actin polymerization）、阻断 ARP2/3 活性或干扰 RAC1 的功能，都会影响 PrE 细胞的迁移和分选。这表明 RAC1 活性和分支肌动蛋白介导的突起是 PrE 细胞向 ICM - 腔室界面定向迁移的关键驱动力，就像是给 PrE 细胞的 “旅途” 提供了动力引擎。
4. PrE 细胞的顶端极性是定向迁移和分选所必需的
那么，是什么导致了 PrE 细胞中 RAC1 的激活和分支肌动蛋白网络的形成呢？研究人员通过分析单细胞基因表达数据库，发现 PrE 细胞中一些特定基因的表达，如编码 ECM 成分和 aPKC 的基因。免疫染色显示，aPKC 在 PrE 细胞中富集，并且定位在迁移的 PrE 前体的前沿。通过实验抑制 aPKC 的活性或敲除相关基因，研究人员发现 PrE 细胞的定向迁移和分选受到了破坏。这说明 PrE 细胞在分化早期获得的顶端极性，对于它们向 ICM - 腔室界面的定向迁移和分选至关重要，就像是给 PrE 细胞的 “导航系统” 设定了正确的方向。
5. PrE 细胞分泌的 ECM 形成梯度，可能引导 PrE 细胞迁移
PrE 细胞是如何在 ICM 组织中准确地朝着 ICM 表面迁移的呢？研究人员推测，PrE 细胞分泌的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）可能起到了关键作用。通过实验观察和计算模拟，他们发现随着 EPI/PrE 分选的进行，ECM 在 ICM 中的分布逐渐形成梯度，并且这种梯度与 PrE 细胞的迁移方向相关。进一步的实验表明，层粘连蛋白（laminin）的沉积能够引导 PrE 细胞的迁移，就像是给 PrE 细胞铺了一条 “路”，让它们沿着这条路顺利到达目的地。
6. 固定的 EPI:PrE 细胞比例对 ICM 模式形成的精确性提出了挑战
在研究过程中，研究人员还发现了一个有趣的现象：EPI:PrE 细胞的比例是固定的，但细胞的命运似乎并不完全依赖于位置。通过对囊胚和 ICM 中细胞比例的分析，以及细胞谱系追踪实验，研究人员发现 EPI 和 PrE 细胞的命运和比例在 E3.5 - 4.5 囊胚中是固定的。为了进一步验证这一点，他们进行了胚胎大小操纵实验和嵌合体实验，结果都支持了这一结论。这就像是在胚胎发育的 “剧本” 中，EPI 和 PrE 细胞的 “戏份” 比例是提前写好的，不会轻易改变。
7. ICM 细胞组成在哺乳动物中与胚胎大小和几何形状相适应
固定的 EPI:PrE 比例和缺乏可塑性给早期哺乳动物胚胎实现精确的囊胚模式形成带来了挑战。那么，胚胎是如何在这种情况下确保稳健的模式形成的呢？研究人员通过对小鼠、猴子和人类囊胚的研究发现，不同物种的胚胎大小和 EPI:PrE 比例各不相同，但这些比例都与胚胎的大小和组织几何形状相适应。例如，小鼠胚胎中 60% 的 PrE 比例是最优的，而猴子胚胎中则是 70% 的 PrE 比例更合适。这就好比不同型号的汽车需要不同类型的轮胎，每个物种的胚胎都有最适合自己的 “配置”。
综合来看，这项研究揭示了哺乳动物囊胚如何在不同大小和形状的情况下维持稳健的命运模式形成。研究人员发现，ICM 内的组织水平对称性首先被 PrE 细胞在流体界面的保留打破，这是通过不同的表面张力实现的。随后，PrE 细胞分泌的 ECM 在组织中形成梯度，引导着 PrE 细胞的主动迁移，而 PrE 细胞的迁移则是由它们获得的顶端极性驱动的。尽管 EPI:PrE 细胞的比例是固定的，但这种比例是物种特异性的，并且与胚胎大小和几何形状相适应，这使得胚胎在发育过程中能够抵抗自然大小的变化，确保组织模式的稳健性。
这项研究具有重要的意义。它不仅揭示了哺乳动物胚胎发育过程中组织模式形成的新机制，还为我们理解细胞命运决定、细胞迁移和组织形态发生之间的关系提供了新的视角。此外，研究中发现的细胞间相互作用和信号传导机制，可能在其他生物学过程和疾病发生发展中也起着重要作用，为相关领域的研究提供了有价值的参考。就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为后续的胚胎发育研究照亮了前行的道路。未来，研究人员可以基于这些发现，进一步探索胚胎发育的奥秘，为生殖医学、再生医学等领域的发展提供理论支持。
