Cell Stem Cell | 何爱彬团队利用全景实时成像揭示流体力塑造囊胚发育过程

“我是谁？我从哪里来？要到哪里去？”是发育生物学探究细胞命运的核心问题。从单个受精卵到形成由200多种不同细胞类型组成的个体，离不开细胞的增殖及细胞命运的分化。囊胚发育过程中，细胞的分布和形态发生显著的变化，产生了第一次细胞命运决定，形成了内细胞团（inner cell mass, ICM）和滋养层细胞（trophectoderm, TE）。第一次命运决定由包括各种分子在内的多因素共同驱动发生，如Hippo通路在ICM和TE细胞中影响不同基因表达状态【1】，分子水平的不对称分布【2】等。囊胚发育中细胞致密化及囊胚腔的形成，生物力学在第一次命运决定中起着推动作用。

2016年，Maitre等人发现顶端区域的不对称分裂导致细胞收缩性的差异，从而促进细胞命运的特化【2】。2019年，Chan等人发现囊胚发育过程中，液腔压力影响TE细胞的分裂模式，进而调控了细胞分化和命运决定【3】。然而已有研究方法仅能测量局部区域或部分细胞（TE），无法探究胚胎内部比如ICM受到的机械力。此外，何种机械力调控ICM细胞命运也尚不得知。早期胚胎发育是一个快速、动态的过程，已有研究的方法尚不能长时程实时报告或检测力与细胞谱系的关系。

2023年8月3日，北京大学未来技术学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心何爱彬团队于Cell Stem Cell在线发表了题为“Genetic reporter for live tracing fluid flow forces during cell fate segregation in mouse blastocyst development”的文章，该研究发现在早期哺乳动物囊胚腔中存在流体力，并鉴定出可实时报告流体力大小的因子——KLF2，实现了囊胚形成过程中流体力的测量和动态长时程细胞谱系的绘制，证明流体力调控了第一次细胞命运决定，为胚胎发育与生物力学研究提供了新视角。

研究者首先向囊胚腔内显微注射荧光小球，观测到相对于甲醛固定胚胎，发育中的囊胚腔内存在有方向性的荧光小球运动。通过对高密度的荧光小球进行轨迹定量计算，发现囊胚腔内的剪切力为0.15 dyne/cm^2。随后，研究者建立了一套模拟流体力的方式，通过单细胞转录测序，发现胚胎干细胞干性相关基因KLF2可能具有快速响应流体力的能力。研究者通过原核注射过表达等实验，找到响应流体力的3个特异性增强子，确定其关键差异性原因。随后，研究者利用建立的KLF2报告小鼠，通过药物培养、磁流体等体内、体外力学干扰实验，进一步阐明KLF2的力学报告的准确性。

囊胚是早期胚胎发育的重要阶段，由滋养层、内细胞团和囊胚腔三部分结构组成。先前的研究已经指出，囊胚内的液体压力直接影响胚胎的大小，并对内细胞团和滋养层的命运决定起着关键作用【3】。研究者利用长时程体外流体力刺激及细胞移植等实验，确定流体力与细胞命运之间的联系，力的变化可由KLF2的荧光强度测定。

接下来，研究者将KLF2报告检测的发育中的流体力学动态变化，细胞命运和细胞谱系整合在一起绘制了全景力学细胞谱系图。研究者利用自建的高分辨率光片显微镜vLSFM，对Klf2-H2Bmcherry小鼠胚胎从E2.0到E3.5左右的发育过程进行了长时间活体成像全景谱系追踪，获取了多套小鼠胚胎着床前动态发育图谱。相较于研究者之前长时程动态追踪胚胎心室建成的工作【4,5】，研究者将传统的三角中空琼脂装载方法改为密封FEP管，以确保胚胎有足够的生长空间和培养液，同时实现内外隔离。通过活体成像技术的应用，研究者成功地探究了小鼠胚胎在力学报告模型的可视化系统中，在着床前阶段的细胞命运决定特性。研究结果表明，流体力越大，KLF2的表达越高，胚胎细胞倾向于分化成ICM；细胞感受到的流体力越小，KLF2的表达越低，细胞倾向于分化成TE。