Science：一堆看似杂乱无章的细胞如何形成坚固的胚胎

胚胎发育始于单个卵细胞受精并开始不断分裂。胚胎最初是一个混乱的簇，逐渐演变成高度有序的结构。科学家现在对这一过程有了新的见解，强调了混乱和秩序都至关重要。

胚胎发育始于单个卵细胞受精并开始不断分裂。最初是一个混乱的簇，逐渐演变成一个高度组织化的结构。包括奥地利科学技术研究所 (ISTA) 科学家在内的国际研究小组对这一过程提供了新的见解，强调了混乱和秩序的关键作用。研究结果发表在《科学》杂志上。

将液体移入微小的试管、分析大量数据集、仔细研究研究出版物——所有这些任务都是科学家工作的一部分。但打破这种常规是必不可少的。远离通常的工作环境可以激发创造性的想法。例如，实验室休养所提供了一个很好的环境，研究人员可以与其他同行交流，这通常会带来新的合作。

奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的 Bernat Corominas-Murtra 和 Edouard Hannezo 就是其中之一。Corominas-Murtra 对西班牙合作研究小组海报展示会上展示的数据集非常感兴趣，于是与同事、荷兰乌得勒支 Hubrecht 研究所 Takashi Hiiragi 教授研究小组的博士后研究员 Dimitri Fabrèges 展开了热烈的讨论。这场对话现在已在《科学》杂志上发表。

这个国际研究小组已经建立了一个全面的早期哺乳动物形态发生图谱——一个生物体形成形状和结构的过程——分析了老鼠、兔子和猴子胚胎在空间和时间上的发育情况。基于这个图谱，他们发现细胞分裂和运动等单个事件非常混乱，但胚胎作为一个整体最终看起来非常相似。利用这个数据集，他们提出了一个物理模型，解释了哺乳动物胚胎如何从混乱中构建结构。

从一个到多个

在动物中，胚胎发育始于卵细胞受精。受精会引发一系列连续的细胞分裂，称为卵裂。简而言之，一个细胞分裂成两个，然后两个变成四个，四个变成八个，依此类推。最终，大部分细胞形成一个非常有组织的结构，称为胚泡，所有未来的器官和组织都是从胚泡发育而来的。整个过程称为形态发生。

“胚胎发育的这些早期步骤至关重要，因为它们为所有后续发育过程奠定了基础，”Edouard Hannezo 解释道。在某些动物中，例如秀丽隐杆线虫（一种透明的蛔虫，也是发育生物学家研究最多的模型生物之一），早期胚胎的分裂受到极其良好的调控，并且在不同的胚胎中以相同的方式定向，从而产生具有相同细胞数的生物。然而，在哺乳动物物种中，分裂似乎在时间和方向上都更加随机。这引发了一个问题：尽管存在这种障碍，哺乳动物的可重复胚胎发育如何进行。

详细的胚胎图谱

为了解决这个问题，Hiiragi 团队着手对许多不同的胚胎进行成像和定量分析，以比较不同哺乳动物物种（从小鼠到兔子和猴子）内部和之间的相似性。Dimitri Fabrèges 及其同事创建了一个所谓的“形态图”——一种可视化高维形态数据的地图。“这是一个成像分析流程，显示胚胎在时间和空间中的行为——胚胎形态发生的精确图谱，”Hannezo 解释说。

该图谱使科学家能够通过解决诸如胚胎间发育变异性等问题来定量分析发育过程。利用该数据集，科学家能够定义“正常”形态发生是什么样子。

Fabrèges 在西班牙的实验室休养所展示了形态图。数据显示，受精后的第一次分裂在小鼠、兔子和猴子中并不受调控。细胞随机分裂，直到它们达到 8 细胞阶段，在这个阶段，所有胚胎突然开始看起来一样。“在最初阶段看起来非常不同之后，胚胎似乎在 8 细胞阶段结束时向彼此的形状靠拢，”Hannezo 继续说道。但这是为什么呢？是什么让这种混乱变得有条理？

胚胎魔方--细胞簇优化其包装

Corominas-Murtra 和 Hannezo 都是理论物理学家，他们对这个数据集很着迷，并着手从理论的角度理解这一过程。

然而，胚胎的形状非常复杂，很难确定两个胚胎相似或不同意味着什么。科学家发现，只需研究细胞间接触的配置，他们就可以有效地近似胚胎结构的全部复杂性。“我们认为，通过了解细胞的排列或了解哪些细胞是物理连接的——类似于社交网络中的连接，我们可以得出有关胚胎形态的大部分重要细节。这种方法大大简化了数据分析和不同胚胎之间的比较，”Corominas-Murtra 说。

利用这些信息，科学家们创建了一个简单的物理模型，用于解释胚胎如何形成可复制的形状。该模型表明，物理定律驱使胚胎形成哺乳动物共有的特定形态。

通过破坏大多数细胞排列（除了少数降低胚胎表面能的细胞排列），细胞之间的物理相互作用可以引导胚胎形成特定的形状。换句话说，细胞倾向于越来越紧密地粘在一起，而这个看似简单的过程实际上会通过连续的重新排列来驱动胚胎达到最佳的排列方式。这就像胚胎自己解决魔方一样。

没有混乱，没有结构

研究结果详细展示了哺乳动物胚胎的发育如何受变异性和稳健性控制。没有混乱就没有结构；两者缺一不可。两者都是构成“正常”发育的重要组成部分。“我们终于开始有了分析形态发生变异性的工具，这对于理解发育稳健性的机制至关重要，”Hannezo 总结道。随机性似乎是生物世界产生复杂性的主要力量。

通过更多地了解正常情况，科学家还可以深入了解异常情况。这在疾病研究、再生医学或生育治疗等领域非常有用。将来，这些知识可以帮助选择最健康的胚胎进行体外受精 (IVF)，从而提高植入成功率。

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