互动科普

除了基因的影响之外，对细胞施加的物理推力和拉力等，也可以决定细胞是分化成骨细胞、脑细胞还是致命的肿瘤细胞。

现代生物学家试图以基因和蛋白质来解释细胞的生理活动：基因A表达的蛋白质调控基因B的转录，从而控制基因B编码的蛋白质X的表达量，这些分子又共同作用，决定细胞的行为。细胞活动是受基因控制的。但现在，越来越多的证据显示，一些重要的细胞活动是由细胞外部（如邻近的细胞或液体）的机械作用力引发的。

过去几十年中，生物力学领域的科学家致力于研究细胞在推拉作用力下的反应，他们发现这些作用力对细胞具有极大的影响力。例如，周围如果有足够的空间，细胞就会继续分裂生长，但如果周围聚集着成千上万的其他细胞，细胞的生长就会变得十分缓慢，甚至停止生长。细胞周围组织的硬度也是一顶重要的影响因素：对于可以分化为各类细胞的干细胞而言，如果周围环境与大脑组织的硬度相似，它们就会发育成神经细胞;如果周围环境的硬度与肌肉组织类似，就会发育成肌肉细胞。培养皿中的干细胞能通过类似的机制，自行组装成复杂的器官（例如眼睛或脑部组织等）。

直到最近，科学家才慢慢开始认识到，细胞如何将物理压力转化成改变生理活动的信号。在过去几年中，我们实验室所进行的实验，也发现了另一种难以捉摸的联系。研究显示，YAP和TAZ蛋白构成的分子开关，将细胞外部的作用力与细胞核内的基因联系起来，并对细胞的活动产生影响。当细胞受到拉力时，YAP和TAZ蛋白就会对该作用力做出反应，激活相关的基因，从而决定细胞接下来的行为。和世界上其他科学家激动人心的研究成果一样，这一发现为生物体一系列的生理活动（从胚胎发育到组织维持及创伤愈合）提供了新的认识，也为攻克癌症和在实验室内培养器官提供了新的途径。

挤压改变细胞

生物体中存在着许多机械作用力，但大多数人往往只会注意到几种最明显的，例如：心脏跳动、肌肉收缩和血液流动。长期以来，生物学家就意识到，这些重复的收缩和伸展活动对于人体的巨大影响。例如，物理锻炼给身体带来的机械负荷可以促进骨骼的钙化，预防骨质疏松；而血管的节律性舒缩则可预防动脉硬化。

物理作用力会在微观水平上对人体产生影响，它能直接作用于人体内的40万亿个细胞。而且影响会通过细胞之间特有的联系方式发挥作用。每个细胞内都有一个叫做“细胞骨架”（cytoskeleton）的内部架构，它由一系列具有绳索、支柱和拉杆作用的特殊蛋白组成。同样，细胞核、各种细胞器和细胞膜也是由这些蛋白支撑且构建起来的。在细胞膜外，细胞表面的粘性蛋白将内部的细胞骨架与胞外环境联系起来。同时，粘性蛋白又通过细胞外基质（extracellular matrix，细胞外的一种丝状蛋白格架）与周围的其他细胞相连。

细胞骨架与周围的细胞外基质之间一直持续着一场拉锯战。例如，细胞周围的基质解体，这些粘性位点（adhesion site）就会被向外拉。如果没有阻碍，会使细胞拉长。同时，在这样的拉力下，细胞又会以同等的力量向内收缩，并重新构建细胞骨架。在这两种力的作用下，细胞会形成相对稳定的形状。这一过程明显是动态的：当细胞受到不同类型的机械外力时，平衡将会不断地被重建，最终导致细胞整体形状发生改变。

从20世纪70年代末时，科学家就意识到影响细胞结构的机械信号，对于调控细胞繁殖（即细胞生长）起着至关重要的作用。美国哈佛大学维斯仿生工程研究所（Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering）的唐纳德·因格贝尔（Donald Ingber）和英国伦敦国王学院（King’s College London）的费奥娜·瓦特（Fiona Watt）共同研发了一种改变细胞形状的实验。他们将细胞外基质蛋白固定在载玻片上，再将细胞附着在这些蛋白的粘性结点上。值得注意的是，只有当这些细胞固定在较大的区域中，能够伸展平铺时，它们才会增殖。如果同样的细胞被固定在狭小的区域中，它们就会聚集在一起，停止分裂并开始分化（即发育成特定类型的细胞）或逐渐死亡。

这项发现引起了很多研究人员的关注。但研究结果也总让人觉得其中缺少了什么。为了调控细胞的增殖或分化，这些机械外力必须作用于细胞的核心（即基因组），激活其中负责细胞生长或死亡的多个基因。

到底是什么将物理世界和生物世界联系起来的？这些细胞力学信号又是如何被转化成一系列完美协调的基因活性变化的？

这些问题激起了我们浓厚的兴趣，和我一同研究的，还有意大利帕多瓦大学的同事们。大约5年前，西里奥·杜邦（Sirio Dupont）——我们研究小组的成员之一——以经典的科学研究方法，对一系列相关线索进行了梳理。首先，他在计算机数据库中搜索那些可以被机械力激活的基因。如果对细胞施加拉力，这些基因就会被激活，开始转录表达。接着，他又对调控这些基因表达的蛋白质进行了搜索，并找到了两种关键蛋白：YAP和TAZ蛋白。

之后我们通过实验证实，YAP 和TAZ蛋白共同构成分子开关，它们精确地控制着细胞对物理作用力的反应。我们可以通过改变细胞中YAP和TAZ蛋白的含量，来控制细胞的行为，抵消细胞形状的任何改变。例如，如果我们在已经停止生长分裂的成熟细胞中，提高YAP和TAZ蛋白的水平，就能使细胞恢复繁殖。

这个开关的作用机理大致如下：YAP和TAZ蛋白在一般情况下存在于细胞质中，当细胞骨架在外力作用下被拉伸时，这两种蛋白就会进入到细胞核中，与DNA中的特定位点结合，激活特定的生长诱导基因（growth-inducing gene）。如果细胞中YAP和TAZ蛋白水平升高，就会有更多相关的蛋白被激活。相反地，在那些周围空间狭窄的圆形细胞中，YAP和TAZ蛋白则不会进入细胞核，而是滞留在细胞质中，被不断分解。

虽然这两种蛋白的名称不同，但它们的分子结构却十分类似，而且执行的功能也有重复性。因此，在提及它们时，通常使用YAP/TAZ。

器官需要维持

在对组织器官的研究中，YAP/TAZ对于人体正常功能的重要性，体现得尤为明显。

组织受伤（例如皮肤割伤）之后会发生什么？当这种损伤造成细胞流失时，剩余的细胞周围压力会随之减小，细胞有更多的空间得以伸展。于是，它们向四周散开，伸展它们的细胞骨架。细胞的伸展可以激活YAP/TAZ，促进细胞增殖。当这些受伤的区域被新的细胞填满后，会建立一个结构更紧密，抑制细胞生长的环境，此时细胞增殖的过程就会停止。

在小鼠身上所进行的实验向我们展示了，真正的器官中细胞活动是如何发生的。

美国约翰斯·霍普金斯大学的潘多加（Duojia D.J. Pan）证实，小鼠肠道内壁的细胞在炎症（结肠炎）损伤后的再生过程中，YAP起着至关重要的作用。美国得克萨斯大学西南医学中心的埃里克·奥尔森（Eric Olson）证实YAP/TAZ能在心脏病发作后，促进部分心肌细胞的再生。美国洛克菲勒大学的伊莱恩·富克斯（Elaine Fuchs）和美国波士顿儿童医院的费尔南多·卡马戈（Fernando Camargo）共同研究YAP的特性，并用基因改造小鼠在其皮肤细胞中增加YAP的蛋白表达，小鼠的皮肤外层会明显变厚并发生异常分层。

因此，为了使组织细胞进行正常再生，细胞中YAP/TAZ的水平必须恰到好处。如果这些蛋白水平过低，组织就无法修复，而它们的含量过高，细胞又会过度增生，推高机体产生肿瘤的风险。

YAP/TAZ正常运作对于人体健康的重要性，并不局限于修复损伤。即使没有损伤或病变，我们身体中的许多器官也需要不断地更新细胞。这是因为器官可以存活几十年，但器官中细胞的生命周期却要短得多。如果没有新细胞来不断地替代死亡的细胞，器官就会衰亡。

然而，细胞数量的平衡仅仅是维持器官的一个方面。另一方面是控制新细胞在器官中生长的位置。器官就像一个结构紧密的公寓建筑（即各种细胞类型的集合），每一种细胞都在复杂的三维结构中生长，而在此空间中的组织细胞不断地进行更新。

到底是什么决定了这些细胞的生长位置？最新研究发现，这也与YAP/TAZ有关。在细胞中，两种蛋白对于器官三维形状的反应方式决定了细胞的生长位置。构造复杂的器官集合了多种不同的结构，例如，凹陷、边界、凸凹曲面和平面层，形成这些结构的机制是由各种细胞与其细胞外基质架构之间的联系方式决定的。实际上，这些框架存在的时间比附着其上的细胞要长，它们为新细胞的生长环境提供了空间记忆，从而决定细胞的生长位置。

然而，我们并不清楚这些构架到底是如何做到的。任职于美国普林斯顿大学的塞莱斯特·尼尔森（Celeste Nelson）和任职于美国波士顿大学的克里斯托弗·陈（Christopher Chen），以及我们研究小组的玛丽亚塞莱斯特·阿拉戈纳（Mariaceleste Aragona）试图通过细胞外基质架构多变的形态来回答相关问题。

架构的多样性提供了影响细胞行为的各种机械力。例如，如果我们制造一个装置，能使一个多细胞层在某一点发生弯曲（就像平路上隆起的减速带），那么只有位于弯曲位置的细胞会激活细胞内的YAP/TAZ，开始增殖。基于这一发现，我们假设组织的局部构造是通过激活其中的YAP/TAZ来控制构建细胞的行为。在组织拉伸或弯曲区域的细胞中，YAP/TAZ被激活并进入细胞核的量最高，而在平整、紧密集聚细胞层的细胞中其含量会减少。通过这种方式的组织架构就能构建空间模板，在细胞不断进行更新的同时，保持器官的形状。

YAP/TAZ对细胞周围环境的反应还能解答另一谜题：器官怎么知道何时该停止生长。当我们实验室发现这两种蛋白在机械信号传导中所起的作用时，YAP/TAZ早已是众人瞩目的焦点了，因为科学家发现，如果细胞中这两种蛋白活性比正常值高，动物就会生长出巨大的器官。由于组织架构能够影响这两种蛋白的活性，而且机械外力会随着器官的生长而改变，所以我们怀疑当器官长到正确的大小时，各种机械力的平衡会抑制YAP/TAZ的活动，使该器官停止生长。

器官的形状特征只是影响细胞受力及其命运的因素之一。另一个影响因素是细胞所处的环境。细胞周围的细胞外基质组成复杂，包含多种不同的结构。一些组织周围（例如，骨骼）是像岩石一样坚硬、致密的胞外基质；而另一些组织（例如，大脑组织或脂肪）的胞外基质则要柔软得多。因此，每个器官的胞外基质都各具特征。

这些特性对于器官的发育和再生，似乎起着十分重要的作用。值得注意的是，不同的机械特征对于间充质干细胞（mesenchymal stem cell）的发育，具有重要的指导意义。这类干细胞存在于许多成人器官中，参与修复受损器官。它们能够分化成多种类型的细胞，例如骨骼、脂肪、神经和肌肉细胞。多年来，生物学家一直认为这些间充质干细胞周围存在的多种化学因子决定了它们会分化为何种细胞。但美国宾夕法尼亚大学的亚当·恩格勒（Adam Engler）和丹尼斯·迪斯凯尔（Dennis Discher）在2006年于《细胞》（Cell）杂志上发表的一篇论文中，对这个观点提出了质疑。他们根据不同组织的特性，制作了模拟不同组织硬度的一系列合成基质。令人惊奇的是，当间充质干细胞被放置于这些不同硬度的合成基质中，它们展示出了变色龙一般的适应行为。在具有大脑组织硬度的基质中，它们发育成神经细胞；在类似肌肉组织硬度的基质中，它们又发育成肌肉细胞。

杜邦在帕多瓦大学重复验证这些实验，他发现间充质干细胞中YAP/TAZ的活化程度会随着基质硬度的不同而发生变化。例如，在硬度较高的基质中，细胞中YAP/TAZ的活性也较高，并诱导这些细胞发育成骨骼细胞。但在最软的基质中，YAP/TAZ的含量和活性都下降，其中的干细胞会发育成脂肪细胞。通过实验改变细胞中YAP/TAZ的含量和活性，我们能够操控这些干细胞分化的命运：如果我们往正在发育成脂肪细胞的间充质干细胞中，加入修饰过的YAP/TAZ，就会使它们觉得周围的基质硬度很高，从而发育成骨骼细胞。

掌控细胞之谜

生物医学领域之所以对干细胞的研究如此关注，是因为干细胞具备分化成各种类型细胞的潜力。研究人员希望能够通过对干细胞进行适当的引导，对受损的组织进行修复和填充，甚至在体外培养替代器官。但是为了有效利用干细胞，研究人员首先要了解它们对物理作用力的反应。

例如，肌肉干细胞能够用来支撑肌肉萎缩症病人衰弱的肌肉组织。但想要干细胞具有实际的疗效，首先要使这些体外培养的干细胞达到一定的数量。美国斯坦福大学的海伦·布劳（Helen Blau）的研究显示，只有在弹性与正常肌肉环境一样的材料上培养肌肉干细胞，才能培养出所需的数量。

在体外构建新器官，听起来似乎像科幻小说中的情节，但现在我们距离这个科学幻想的实现并不遥远，同时这也将取决于我们对机械信号如何改变细胞活动的了解。在经典的科幻电影《银翼杀手》中，研究人员在大桶中培养眼睛。日本理化学研究所发育生物学中心 （RIKEN Center for Developmental Biology）已故的笹井芳树（Yoshiki Sasai）及其同事现已证实了体外培养胚胎状“眼睛”的可能性：首先在柔软的胞外基质中，置入一团胚胎干细胞，当该细胞团长到一定大小时，细胞层就开始折叠、扭曲并下沉，就好像一片具有生命的折纸，自动组装成类似眼睛的结构。但只有当科学家从培养皿壁上将细胞剥离，消除平面的皿壁对细胞产生的机械束缚之后，这种现象才会发生。此时，干细胞就会遵照细胞内由机械力产生的发育信号，进行折叠、伸展和弯曲，一些部位会变得柔软，另一些部位则变得更硬。

最近，因格贝尔与其同事发明的器官芯片（organs on a chip）也对同样的物理信号敏感。因格贝尔的研究小组不是在普通的塑料培养皿中培养细胞，而是在极小的微槽中培养细胞，利用极微量液体对细胞施加压力。这种装置能够非常精确地控制细胞的受力情况，从而模拟细胞在各种真实组织中所受的机械力。例如，模拟生理呼吸运动中的肺细胞所受的周期性压力，以及模拟消化道运动中肠道细胞所受的拉力和压力。重现身体中部分器官的正常节律和压力，可以使尚未分化的干细胞产生一些意想不到的行为，例如自发地分化发育成类似器官的结构。

如果人体组织利用机械力对YAP/TAZ的调控，增加或减少干细胞的数量，这个蛋白开关或许也能够制造出更多我们想要的细胞。一般干细胞只存在于一些特殊的机械区位中，例如某些隔离区域（边界、凸出部分或空心管的底部）。类似的封闭环境或许能使其中的细胞“干细胞化”，使细胞能够再生同时产生多种类型的子代细胞。在许多类似区域内的干细胞中，细胞核内的YAP/TAZ含量都很高，因此增殖能力也很强。同时，这些区域的位置也会影响YAP/TAZ蛋白的水平。通过模拟对应区域的特性，研究人员有可能在实验室中提高干细胞的数量。

在不久的将来，或许我们可以通过药物来刺激细胞中YAP/TAZ的活性，操控活组织中干细胞的行为。或者利用药物抑制其活性，阻止细胞增殖，诱导干细胞分化成组织所需的特定细胞类型。

当然干细胞疗法也有两面性，在疗效的另一面是它存在的问题：这些细胞可能无法达到预期效果，而且如果它们没有发育成所需的组织类型，并无节制地生长，甚至会变得非常危险，癌症干细胞（最危险的癌细胞类型）就是一例。因为存在这种风险，很多研究生物力学的科学家都坚持，任何向病人体内注射干细胞的疗法，都必须保证细胞被注射到适当的物理环境中。错误的环境作用力会将干细胞推向危险的深渊，使它无法完成预期的目标或者直接发生癌变。

驯服异常

干细胞和再生医学研究领域的研究人员尝试培养干细胞，以修复受伤组织；而癌症研究领域的研究人员则努力研究如何限制细胞的生长。对于肿瘤细胞而言，拉扯细胞体的物理作用力也起着决定性的作用。在与癌症战斗的40年中，基因突变导致肿瘤形成一直是学界的主流观点。虽然一些阻断突变体活性的疗法可以有效抑制肿瘤生长，但科学家并不完全确定，类似的方法是否能够发展成被广泛采用的新疗法。简单来说，即使对于同一肿瘤而言，也是由多个致病基因突变导致的，要确认并抑制每种突变，几乎是不可能的任务。

然而，癌症不仅是基因异常表达的结果，同时也可以由细胞微环境的异常变化所引发。在肿瘤形成之前，细胞的形状和周围环境都会有所变化，这些变化很可能是诱发疾病的因素之一。例如，美国旧金山加利福尼亚大学的瓦莱丽·韦弗（Valerie Weaver）的研究显示，增加细胞外基质的硬度会促使良性细胞像肿瘤一样急速生长。

我（本文作者斯特凡诺·皮科洛）曾做过一项实验，实验显示细胞的形状的改变可以激活YAP/TAZ，引发细胞的恶性生长。米开朗基罗·考德恩昂斯（Michelangelo Cordenonsi）是我们研究小组中的一员，他发现当在良性细胞中增加TAZ蛋白的表达时，细胞会像癌症干细胞一样。实际上，YAP/TAZ在乳癌干细胞中就有高度表达，引发细胞的恶性生长。而肿瘤细胞本身并没有耍什么新花样，它们只是利用了组织控制干细胞数量和分化的主要机制。

基于这一发现，我们研究小组开始从非传统的视角探讨癌症的机理。我们认为细胞最初的恶性病变并不一定是由累积的基因突变造成的。癌症也可能是由于人体内正常的微观结构遭到破坏所导致的。长久以来，肿瘤的行为就好像一直在修复伤口，并且无休止地进行细胞增殖。因此它也被称为“永不复原的伤口”， 现在看来，这个描述再确切不过。

这样一来，恢复细胞周围的正常环境就像治病的良药，而破坏它就变成了致病的毒药。当韦弗将癌症细胞与其细胞外基质的联系切断，减少外界对它们的拉力时，它们的生长信号就减弱了，增殖速度也随之减慢，癌细胞的表现一下变成了看似正常的组织。因此，我和同事们希望YAP/TAZ就是癌症的弱点。在很多类型的肿瘤中，YAP/TAZ都具有异常活性，降低它们的活性可能有助于肿瘤细胞的正常化或预防其恶化扩散。有幸的是，针对这种治疗策略的可行性，已有多个研究团队展开了相关研究。

但是，我和其他科学家一样，对于治疗像癌症这类复杂的疾病仍持有谨慎的态度。实际上，在不同类型的癌症中，内部基因与外力之间的联系方式可能各不相同。许多在实验初期看似有效的疗法，在癌症病人身上却并没有明显疗效。在未来，任何想要抑制YAP/TAZ的药物，都存在同样的挑战：针对癌细胞的同时，不伤及正常的干细胞。如果无法找到直接作用的抑制剂，那些松弛肿瘤细胞骨架和改变细胞外基质的药物，或许能间接起到抑癌的作用。

古代希腊哲学家亚里士多德认为形状是所有生物的灵魂。细胞生物学家正逐步认识到形状在现代科学中的深远意义。形状对于生命的影响巨大：从一方面来说，它影响细胞如何构建和修复组织，另一方面，它又可以变成危害健康的祸首。随着对形状影响细胞的认识加深，我们或许能够利用它来造福人类。