Science综述丨合成发育生物学未来：多样性和复杂化

独孤一山隙

撰文、编译丨亦



生物系统最显著的特征就是其内在复杂度。大量高度协调的过程在发育过程中开展，使一个单细胞发展成为完整的有机体。细胞执行精准的基因表达形成复杂的组织结构，分化为不同组织类型。以往，生物学家通过基因突变筛选和基因表达的靶向操作来观察和干扰胚胎发育，发现了与发育过程相关的特异基因，但是哪些组分能够重现发育过程以及在何种条件下它们能相互作用仍不清楚。

合成生物学的出现很好地解决了这一问题，它允许研究者们对发育过程进行控制和重构，这一新兴出现的领域被称为合成发育生物学。目前已经重构的基础发育过程包括细胞模式化和分类，一些新的工具也已经被开发，可用于更复杂的类器官和胚胎的发育过程控制，这些方法能够帮助人们明晰重现发育过程所需的组分及条件。近日，来自巴塞罗那分子生物学实验室的Miki Ebisuya团队在Science发表了综述文章： Scaling up complexity in synthetic developmental biology，预测合成发育生物学的未来将需要多样化的工具，以及研究者们需要做更多的努力来将多种发育过程整合至一个系统中。




细胞培养重构

研究者们使用比胚胎更易于操作的模型系统——二维的哺乳细胞培养物，来解析发育机制。使用最多的方法有两种，其一是引入合成基因环路来重塑细胞通讯和组织模式化，进一步的研究则通过创建多个稳定的基因表达状态来工程化细胞状态分支，合成Notch受体则允许对信号输入和转录输出进行操纵，从而重塑基因表达模式。类似的，长程通讯机制也被体外模式化，如形态发生因子样系统和反应扩散系统。以上都说明在全基因环路中使用的组分足以在体外工程化细胞中模仿生物学过程。其二是光遗传学手段，常用于控制改变组织结构的生物学过程，通过将生物学过程光敏感化，研究者们得以对工程化的细胞或组织进行高度时空化控制，以研究细胞迁移、细胞死亡和细胞形态改变。体外重构的优势是检测组分重现发育过程的充分必要性，也能对组分进行替代改造而获得具有新功能的新合成组织。



图1 2D细胞培养的发育重构

复杂系统的人为控制

复杂系统如类器官或胚胎中的发育过程也能被控制。OptoShroom3是用于改造视泡形状和神经外胚层类器官的光遗传学工具，刺激后视泡内腔减少，神经外胚层类器官外端极性变平，类似地，果蝇胚胎也能被操纵。此外，合成生物学技术也能重塑体内生物学过程如模式化和形态发生，如对果蝇中生长因子Dpp作用的研究，果蝇胚胎发育过程中胞外信号调节激酶（ERK）通路的研究。通过简单的方法找到重构生物学过程所需的组分，再对这些生物学过程加以控制来探究组织自身发育及与其他发育事件相互作用所需的最佳条件，二者相辅相成，共同构建一个丰富的实验系统。



图2 类器官和胚胎中发育过程的工程化

工程化的发育输入、加工和产出

尽管有如上提到的这些进展，发育过程的多样性被工程化的体现还是相当有限，新的工具亟待开发。当以合成生物学为目的对细胞进行工程化时，采用输入——加工——产出的工作流程是有利的，细胞能够感知输入的扰动，对其进行加工处理，所有的相互作用最终又会产出结果。

通过添加药物、激素、配体或多肽，我们能够改变生物学过程，合成受体经过特殊设计够，细胞就能够感知特定化合物和蛋白。此外，组织工程技术还能改变组织结构和胞外基质组分，如用不同的配体对凝胶进行预处理或改变凝胶的物理特性，光遗传学也能通过使用互相结合的蛋白对来工程化光敏感的生物学过程。配体，基质和光作为输入端已被广泛使用，机械力、硬度和电可作为有潜力的输入端来进一步开发。

加工处理阶段涉及诱导后细胞内产生的所有改变。最常用的信息加工层是基因表达控制，mRNA丰度和蛋白质浓度都是可以被操纵的，蛋白质-蛋白质相互作用也能存储和加工信息。输入信号改变细胞内在状态的一种可能方式是对蛋白质进行重新排布，这涉及囊泡和细胞器的运输，可能引发新的相互作用。鉴于代谢途径的活性也能促进表观和转录改变，靶向细胞的代谢状态是另一种方式。

在接收输入刺激，加工处理、储存信息后，细胞会做出相应的改变，这些改变又可以作为其他细胞的刺激输入，改变周围细胞的形态或定位。光诱导的细胞分裂或死亡都会刺激周围组织，细胞增殖会增加细胞密度，而细胞死亡在降低细胞密度的同时还会释放因子，引发吞噬和再生，尽管目前已有工具可用于诱导细胞死亡，但其对于发育过程的研究还有待探索。此外，细胞的特化也可导致更复杂和精细的功能，比如激素隔离、流体泵送，突触连接或肌肉收缩，我们需要进一步了解在哪些情况下分化的诱导可引起功能性组织结构。



图3 输入——加工——产出流程框架

合成发育生物学前景方法

将输入、加工处理和产出机制在细胞中工程化的工具设计无疑会极大拓展我们可研究的发育过程，但未来的合成发育生物学将不仅局限于新工具的开发。将控制两个不同发育过程的组分联用可在体外进行复杂的重构，因此，未来将控制输入、加工处理和产出的新工具联用，将建立一系列更为精细的模型，研究多个发育过程。将这些方法应用至类器官和胚胎，研究者们将会对复杂系统中发育过程的相互作用有更深的理解。



图4 合成发育生物学未来前景

综上，文章总结了目前合成发育生物学的进展，展望了未来前景，强调多样化的技术开发和多个发育过程的结合将是未来方向。

原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9666


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