《Nature Physics》：Adhesion-driven rigidity transition decoupled from density-driven jamming triggers epithelial organization in embryonic tissues
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通过相变主动调节组织材料特性是形态发生的核心。相变在不同控制参数（如细胞密度、形状或粘附力）的临界点处突然发生。这些参数是否相互依赖，以及它们执行冗余还是distinct功能，尚不清楚。本研究展示了根据多个控制参数的协同调节，组织不仅能调整其变形能力，还能调整
通过相变主动调节组织材料特性是形态发生的核心。相变在不同控制参数（如细胞密度、形状或粘附力）的临界点处突然发生。这些参数是否相互依赖，以及它们执行冗余还是distinct功能，尚不清楚。本研究展示了根据多个控制参数的协同调节，组织不仅能调整其变形能力，还能调整其形态发生轨迹。研究人员在理论上定义了一个相图，以捕获经历胚层外展（gastrulation期间发生的组织运动）的斑马鱼多能组织的材料状态，并显示它们同时跨越细胞密度、连接性和粘附强度的临界点。随后，研究人员结合光遗传学、生物物理学测量和定量形态测量学，在体内独立调节每个参数，并确定粘附是组织流变学的主要决定因素。进一步将粘附与密度解耦，并在未阻塞的多能组织中诱导粘附驱动的刚性化，足以切换其形态发生程序并触发上皮组织化。这种组织重组的切换是通过三细胞连接（tricellular junction）的形成，随后是腔形成（lumenogenesis）和顶端极性的启动来实现的。本研究揭示了 emergent 组织力学非线性动态是组织组织和形态发生的机制。
**背景与问题**：活体材料的主动调节在建立空间和时间变形模式方面起着关键作用，涉及组织铺展、折叠、体轴延伸、伤口愈合和转移等过程。近期的研究表明，组织材料特性会在离散材料状态之间突然转变，例如从类固态到类流体态，无论是否施加外力。这种集体组织相的出现及其转变类似于惰性材料中的相变，当描述微观成分相互作用的控制参数达到临界点时，材料状态会发生非线性变化。与惰性材料不同，活体材料表现出多种微观特性，如细胞形状、密度、连接性和接触动力学，这些均可作为组织相变的控制参数。然而，多个控制参数的存在引发了关键问题：哪些参数是相互依赖或冗余的？它们能否被解耦？每种类型的相变除了定义组织变形能力外，是否还根据使用的控制参数具有额外的功能？此外，目前尚不清楚这些参数如何共同影响组织的形态发生潜力。
**研究方法与样本**：为了解决这些基本问题，研究人员利用斑马鱼胚胎作为模型系统，其多能囊胚已显示经历所需的刚性相变以进行铺展。研究样本来源为野生型（wt）斑马鱼胚胎、MZpky突变体胚胎以及从早期胚胎中分离的囊胚外植体。研究人员开展了以下关键技术研究：首先，通过微吸管吸取（MPA）技术测量组织粘度，结合刚性渗透理论框架，分析细胞连接性和巨型刚性簇（GRC）大小；其次，构建包含细胞分数$\phi$和相对表面张力$\alpha$的理论相图；再次，利用光遗传学工具（opto-RhoGEF增强肌动球蛋白收缩力以降低$\alpha$，opto-zGrad降解$\alpha$-连环蛋白以增加$\alpha$）和渗透调节剂（乌本苷降低细胞分数，甘露醇增加细胞分数）在体内独立精细调控控制参数；最后，通过高分辨率共聚焦显微镜、光片显微镜成像及定量形态测量学分析组织形态特征、三细胞接触（TCCs）形成及极性蛋白分布。
**研究结果**：
**细胞分数、接触表面张力和细胞连接的临界点在同一刚性转变过程中被同时跨越**：研究人员量化了斑马鱼胚胎发生过程中的多个细胞特性。基于刚性渗透理论，发现组织流化可解释为发生在细胞连接性临界点处的从刚性到松散的相变。同时，引入相对表面张力$\alpha$（由Young–Dupré定律定义），发现组织在从多能阶段到原肠胚形成阶段的过程中，同时跨越了细胞分数临界点$\phi_c$、相对表面张力临界点$\alpha_c$和连接性临界点$\langle k_c \rangle$。野生型胚胎被限制在相图的两个区域中：高粘度拓扑刚性区和低粘度拓扑松散区。
**相对表面张力是体内组织材料状态的主要控制参数**：为了确定哪个参数主导材料状态，研究人员通过突变体MZpky（细胞分数高但粘附低）和囊胚外植体（细胞分数低但粘附高）解耦细胞分数和接触表面张力。实验结果显示，尽管MZpky胚胎拓扑上刚性，但其粘度低（流体态）；而外植体尽管细胞分数低，却具有高粘度（固态）。这表明当密度和粘附变化解耦时，组织材料状态由细胞间粘附强度决定。此外，相对表面张力$\alpha$与细胞-细胞接触长度波动（CLFs）相关，$\alpha > \alpha_c$时CLFs大，组织流体化，无论细胞分数如何。
**通过解耦多个控制参数精确工程化组织材料状态**：研究人员结合光遗传学和渗透调节，在体内实现了四种材料状态的工程化：（1）固态、刚性、耦合$\alpha$–$\phi$；（2）固态、刚性、解耦$\alpha$–$\phi$；（3）流体态、刚性、解耦$\alpha$–$\phi$；（4）流体态、松散、耦合$\alpha$–$\phi$。通过主成分分析（PCA）和统一流形近似与投影（UMAP），发现这四种材料状态对应于四个截然不同的形态学集群，表明材料状态离散化为不同的组织组织状态。
**接触表面张力驱动的刚性化导致三细胞接触（TCCs）的突然形成**：形态学分析显示，PC1主要与三细胞接触（TCCs）相关。模拟和实验数据表明，TCC的形成恰好发生在临界点$\alpha_c$，此时组织刚性化且孔隙率急剧下降，从多孔状态转变为非多孔状态。敲低TCC特异性蛋白Lsr和Marveld2a减少了TCC闭合，导致组织形态从刚性固态向刚性流体态转变，证实TCC形成是粘附驱动刚性化决定组织形态的细胞机制。
**粘附驱动的刚性化在未阻塞的多能组织中触发腔形成和顶端极性**：在耦合刚性化中，间质液被重新分布；而在解耦刚性化中，间质液积聚形成更大的类腔结构。这种腔形成依赖于TCC闭合。免疫染色显示，解耦刚性化不仅诱导形态学上的腔形成，还促进了分子水平的顶端极性获取，表现为极性标记物（ZO-1, aPKC, F-actin, P-MLC）在腔界面的富集和E-cadherin的耗竭。这表明粘附驱动的刚性化通过TCC形成和孔隙率丧失，使组织获得类上皮特性，而解耦转变进一步触发了上皮组织化。
**讨论与结论**：本研究揭示了活体材料中多个微观控制参数的（解）耦合不仅决定了宏观材料状态，还决定了其形态发生潜力。研究人员确定接触表面张力是将材料状态转变与组织组织联系起来的关键参数，并揭示了其潜在的细胞机制：在相对表面张力的临界点$\alpha_c$，组织刚性化且TCCs闭合，突然降低组织孔隙率并启动类上皮组织化。在非共栖组织中，刚性化源于粘附驱动而非密度驱动的刚性转变，这减少了细胞间接触动力学。与顶点模型不同，本研究框架中，共栖性的转变是可逆的，如果接触表面张力增加，孔隙率和细胞-流体界面会重新出现。研究结论指出，控制参数的解耦启动了一个上皮化过程，其中TCCs的伴随闭合和组织孔隙率的丧失导致腔形成和细胞顶端极性。这表明相变在发展系统中扮演了超出组织变形性的意外角色，通过允许活体材料在多个临界点附近运作，可能作为引导发育组织可能形态发生轨迹的机制。
