前言

众所周知，人类等哺乳动物的生命起始于精卵结合所形成的一个受精卵，在经历复杂的早期胚胎发育过程之后诞生出庞大而复杂的生命个体。胚胎的发育是一个从无序到有序的逆熵的过程。受精之后，原本没有基因表达的染色体被激发并整体被精准调控，细胞逐渐分化成具有各类单一功能的细胞类型并各司其职，最终形成了不同的人体组织、系统和器官。然而早期胚胎发育过程自上世纪八十年代被发现以来其背后的机理一直是发育生物学领域的一大谜团。整个过程如同交响乐一般复杂却有条不紊的进行着，仿佛有一只上帝之手在暗处有序的驱动着这一切。但是现在这谜团逐渐有了答案。朱濛博士怀揣着对早期胚胎发育极大的热忱，在领域里深耕数年。她创新性的跳出了传统生物学研究方法，采用定量的细胞成像手段并结合生物物理建模，首次系统地揭示了早期胚胎发育中细胞极性化过程背后的发生原理。她所发现的调控细胞极性化的细胞因子，填补了相关领域的空白，为治疗不孕不育症，其他胎儿发育异常疾病以及人体再生科学领域建立了重要的研究基础。本期CCIN有幸请到了学姐，以第一人称视角回顾她缓缓打开早期胚胎发育这一神秘“黑匣子”的研究过程以及其中的心得体会。希望能给各领域学者、学生们带来鼓励和启发。

（图片来源：朱濛博士。八细胞时期的小鼠胚胎染色。红/黄色区域为细胞极性化的区域）

01

—

科研进展及相关成果

Q：学姐在剑桥攻读博士期间研究的主要课题是什么？

我在剑桥大学Magdalena Zernicka-Goetz教授组主要研究一个由受精卵发育成一个具有复杂结构、多细胞组成的功能性个体的过程。然而，由于样本采集的困难性，目前无法直接进行对于人体胚胎发育的研究，所以我主要研究小鼠早期胚胎发育中经历的细胞命运及其背后的发生原理。

子宫内的胚胎发育一般分为两个过程1）受精卵在着床前的发育 和 2）受精卵在接触到子宫后的着床后发育。我主要研究着床前发育，在这个过程中，受精卵从单个多潜能类型细胞发展和分化为多个仅具有单一潜能的细胞个体。其中重点研究受精卵分化过程中内部蛋白的极性化调控过程，和这一过程的时间调控。

经过研究，我发现细胞极性化的过程可以分为大致两个步骤，第一步为细胞致密化所伴随的细胞骨架分子的极性化，其过程受磷脂酶c – 蛋白激酶c通路的调控。该工作发表在2017年的Nature Communications [1]:

第二步则为特殊的极性化蛋白的极性定位。通过研究，我发现极性化过程第二步的激发受到两个转录因子，tfap2c 和tead4的调控。因此，极性化过程第一步中的通路和第二步中的两个因子一起构建成了受精卵极性化过程的发生以及进一步的细胞分化过程的必要条件。而若将极性化过程的两个步骤中的通路和因子异时空表达，则可提前细胞极性化的时间。随后我通过采用定量的细胞成像手段和生物物理建模的方法，阐述了所鉴定的细胞极性化因子调控细胞极性的系统原理。这一工作于去年发表在 Science [2]：

Q: 解决这个问题的思路是怎么产生的？

这其实是一个很有意思的过程。这个领域的研究在上世纪八十年代就开始了，并已经表明细胞极性化的过程是由一个发育时钟来控制和调节的，即细胞即使在外界干扰的情况下，也会在受精后的第三天发生极性化过程。沿着这个思路，我推测发育时钟一定是由于一些细胞因子在受精刺激后由于新蛋白的表达而积累产生的。我依据这个假设，通过实验手段将细胞体积变小并因此观察到了极性化过程加速的现象，为“细胞因子积累”假设提供了一个非常有力的证据。之后，我分析了一些测序的数据，锁定了大概100多个在胚胎发育过程中不断积累的细胞因子。在此当中，最终找到了两个对细胞进化过程有决定性的因子。

Q: 学姐为什么可以成为第一个发现这些细胞因子的人？

因为我们组的研究方法比较特别。我们这个领域长期以来都是使用传统遗传学的研究法，即敲除单个基因来研究其对整个发育过程的影响。然而细胞极性化的过程并不是由单一基因调控的，而母源和合子基因，同一家族的基因又有功能上的冗余性。因此传统的遗传学方法对此问题并不适用。我们实验组善于用传统的提出问题– 设计方案 –验证假设的方法解决问题，同时我的导师对于新奇的想法和研究手段一直都是开放和包容的态度。这为我解决这个问题提供了一个很好的平台。我在解决这个问题的过程中就是基本遵循了这样一个思路，提出一个细胞因子积累的假说，然后利用了一个上世纪六十年代发明的胚胎学手法，基因编辑手法验证假设。然后再综合利用细胞生物学和跨学科融合手段提供对假设的分子机制层面上的系统解答。

Q: 为什么会想到结合物理来解决这个问题？

因为细胞的极性化本身就是一个物理过程。而传统的生物学的研究方法是比较线性化且单一的，只能提供某一分子在二维，通路层面上的功能。而无法解释n个分子如何协调构成一个系统，一个图式。面对这么一个复杂的物理过程。我最初的想法是能不能通过物理建模的方法来系统性的解决这个问题。当时组里正好有一个做物理模型的实习本科生，我们通过实验数据搭出了模型并成功的预测出了整个细胞极性化的过程。

Q: 学姐进一步解决之后的问题会遇到的主要瓶颈是什么？

有两个比较大的问题：

1） 早期胚胎发育面临最大的问题是细胞材料比较难以获取。较少的细胞材料使我们无法知道这个系统中的具体成分，也就成为了研究这个系统的最大阻力。近几年一些新技术的出现提供了可以解决这个问题的可能，例如单细胞的基因组测序技术等。然而还有一些其他关键性技术有待被发觉，例如单细胞蛋白组测序技术和非编码RNA的测序技术等。未来这些技术上的突破将对早期胚胎发育研究有很大帮助。

2）我现在主要研究早期胚胎发育，但是有很多重要的发育过程是在细胞在着床后并完全附着在子宫里之后才产生的。然而，着床后的发育过程目前很难被研究，因为将胚胎放置在体外后它将停止发育，导致难以观察到发育过程中的现象。因此另一个技术难题在于如何实现子宫内的细胞成像或者建立一个体外胚胎培养系统，从而可以研究更多更重要的生物学发育问题。

Q: 学姐认为人体细胞发育过程的根本驱动力是什么？上帝之手吗？

哈哈哈，有点儿这种感觉，一个看不见的神在驱动这一切。其实生物学的问题本身就是一个逆熵，从无序到有序的过程。如果说细胞发育过程的驱动力，从材料角度来看，应该是由卵细胞中所积累的营养成分所驱动。在受精过程中激发和释放大量的能量，从而促进一个系统的无序到有序化。而在受精之后，原本没有基因表达的染色体被激活并被整体调控，使得基因的表达和细胞的分化可以被有序的安排，就像交响乐一样。

02

—

科研生涯心得体会

Q: 学姐当时为什么会对这个领域感兴趣并深耕数年?

一开始入行是因为觉得发育是一个很综合的问题，做起来会比较有挑战性。但是深入了解后这个领域最吸引我的地方还是在于胚胎发育的过程本身的系统特征：这表现在两点，一是可重复性和精确性，发育过程中基因的表达和细胞的分化被有序的组织起来。

另一点是胚胎发育系统的稳健性：即使在被外界破坏的情况下，仍可以自我恢复并重新组织一个规律的系统，内部有一个完善的正负反馈机制，这背后的原理也深深地吸引着我。我现今的主要研究方向也是发育过程中时空调控对发育过程可塑性和自组织性的影响，并在去年将对此问题的主要想法以review的形式于发表在 Cell 杂志上 [3]，

Q: 学姐为什么会选择离开剑桥选择去哈佛继续自己的研究？

最主要的原因是因为哈佛的实验室和我的研究方向比较匹配。博士毕业后，我更想转向组织层面上的研究，以挖掘发育过程中更复杂的机理。另外，我也非常希望能够拓展研究发育过程的维度，即结合多模式生物，从进化的角度研究一些神奇的发育过程背后的原理。具体来说，我目前的研究重点是肢体的发育和再生过程，从进化的角度来探索其可能的发生机制，并探究进化早期物种是如何利用这个过程的。并希望可以最终将这个过程运用在高级物种当中，让人类和其他哺乳类动物也可以获得再生的功能。

Q: 学姐认为自身的优势是什么？

我觉得我的优势在于定位明确，我从本科到如今一直都深耕发育生物学一个领域，多年的积累为我带来了学术的突破。第二，我对我所研究的方向一直保持着好奇心、热情和探索欲，这让我有比较强的内部驱动力去投入研究。同时我在博士阶段广泛的参与学术讲座，参加学术会议，这极大地加深了自己对所在研究领域的理解，了解领域内前沿和热点问题，从而促使我可以更好的提出和解决一个问题。

Q: 科研过程中是否遇到过外部阻力？

最大的阻力是读博年限。在剑桥，博士一般要求三年到四年毕业。生物培养的周期比较长，而毕业的年限又过短，导致很难在规定时间内做出成果，这是比较大的阻力。我本人是临近毕业的时候又去额外找了funding，才能继续我的研究项目。

Q: 了解到您很积极参与预印本，可以分享一下您的看法？

第一，在寻找教职岗位方面可以提供优势。通常，发表文章的过程艰辛又缓慢，中间审核过程的阻力很大，整个漫长的过程会耽误寻找相应工作或者funding的申请。

第二，预印本可以起到纠错作用。发预印本提供了把自己的科研工作交给大众评判的途径，可以促进交流，给我一个在文章发表前能发现潜在问题并修正问题的机会，降低撤稿的概率。

03

—

未来展望

Q: 学姐的科研成果可能会有什么长远意义？

从学习发育的角度来说，我的科研成果对于胚胎发育过程的时空调控的理解有很大的意义。从转化的角度来说，有两点意义，对于相近的领域，即生殖科学领域，我的成果在可帮助制造人工胚胎并产生更多相应的治疗方案和手段，进而解决不孕不育等问题。对于不太相近的领域也有一些潜在的帮助，比如在组织创伤医疗领域，创伤修复的过程本身就是一个细胞自组织的行为，在早期胚胎上发现的胚胎的自组织原理，也有可能运用到这些过程中。

Q: 大胆畅想的话, 20年后基于生物发育学领域的研究,会有那些神奇的应用?

我认为20年后人们应该可以实现发育生物学的重建过程(reverse engineering)，这个重建在于两点：一是理论上的重建，从多维的角度更加系统的解释发育过程。第二是实体重建：通过体外模拟胚胎发育过程中某些器官的发育环境并在体外“重建”一个器官用于人体移植以治疗多种疾病。

Q: 未来的科研计划和跨学科计划?

未来生物学背后的机理研究一定是多维度的。我非常希望未来可以更多的和物理和数学领域的学者合作，在研究过程中引入数学和物理方面的模型思维，从而以复杂的系统生物学的角度来研究发育生物学领域里的问题。

另外，和工程学专业的学者交流可以帮助寻找体外培养组织的新方法，这可以帮助研究组织形成的微环境调控，也可以帮助寻找组织再生的新思路，促进人体再生科学的发展。

欢迎对朱濛博士研究课题中涉及到的相关理论和实验感兴趣想要进一步了解或者合作的学生、学者积极联系。邮箱：zhumeng.thu@gmail.com

References：

[1] M. Zhu, C. Leung, M. Shahbazi and M. Zernicka-Goetz, “Actomyosin polarisation through PLC-PKC triggers symmetry breaking of the mouse embryo”, Nature Communications, vol. 8, no. 1, 2017. Available: 10.1038/s41467-017-00977-8.

[2] M. Zhu etal., “Developmental clock and mechanism of de novo polarization of themouse embryo,” Science (80-. )., vol. 370, no. 6522, 2020.

[3] M.Zhu and M. Zernicka-Goetz, “Principles of Self-Organization of the MammalianEmbryo,” Cell, vol. 183, no. 6, pp. 1467–1478, 2020.