肺，肾脏，胰脏和唾液腺等器官会通过分枝形态建成（branching morphogenesis）的发育过程形成树状结构来扩大功能上皮的表面积，以此支持器官功能。分枝器官都是由早期的单个上皮凸起结构（即芽状末端）发育而来。不同之处在于，肺和肾脏等器官始于内有空腔的单层上皮芽状末端，而胰脏和唾液腺等器官则源自内无空腔的复层上皮芽状末端。在上皮组织四周的间充质细胞和胞外基质的不均匀约束下，单层上皮组织可以通过弯曲折叠形成分枝结构，但是复层上皮组织中并无明显可供折叠的薄层细胞结构，那么它们是如何完成分枝形态建成的呢？

为探索复层上皮组织分枝形态建成的细胞机制，研究人员使用双光子显微镜对体外培养的小鼠胚胎期唾液腺进行了长达两天的高时空分辨率三维活体拍摄。通过追踪细胞在三维空间中的运动轨迹，研究人员发现芽状末端的表层上皮细胞主要在表层内部平移，与内层细胞大体上泾渭分明。表层细胞只有在分裂前后进入上皮组织内部，与内层细胞暂时性混合。单细胞RNA测序的结果显示，此时的表层和内层细胞在转录组水平上已经有显著差异。

芽状末端的表层上皮细胞与紧密包裹上皮组织的基底膜共同形成一个隐形的薄层结构。当这一薄层的相对扩张速度比内部体积更快时，多余的薄层会向内折叠，导致芽端分裂（budding morphogenesis）。研究人员用简化的数学模型阐明，表层和内层上皮细胞的差异性粘附特征和增殖速率足以解释表层相对内部体积较快的扩张速度。这一模型得到了多个实验的支持，其关键在于表层上皮细胞对基底膜的强粘附力和对其他细胞的弱粘附力。

图文摘要 

如果把上述的双重粘附特征引入一种正常情况下不进行芽端分裂的细胞，能否重构这一过程呢？为此，研究人员改造了一种通常在三维培养中只会形成球体的大肠癌细胞系（DLD-1），以便使用一种基于CRISPR/dCas9的可诱导的基因表达调控技术。通过调低上皮钙粘蛋白（E-cadherin）以减弱细胞之间的粘附，并同时添加基底膜提取物以促使基底膜的形成从而创造细胞与基底膜粘附的必需条件，研究人员成功重构了芽端分裂的形态建成，而这正是分枝形态建成的关键早期步骤。

这一研究表明，看似复杂的发育过程可以由相对简单的生物物理机制所驱动。研究发现的机制有可能帮助解决尝试使用干细胞构造分枝器官的部分难题。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.05.015