韋曉慧：從基因變異到宏觀生命色彩——跨尺度形成機(jī)制解析丨細(xì)胞動(dòng)力學(xué)讀書會(huì)第二期

導(dǎo)語(yǔ)

自然界中絢麗多姿的生命色彩，既是視覺(jué)的奇觀，也是演化智慧的生動(dòng)呈現(xiàn)，深刻影響著物種識(shí)別、性選擇與環(huán)境適應(yīng)。然而，一個(gè)長(zhǎng)期懸而未解的核心問(wèn)題始終存在：肉眼可見(jiàn)的顏色差異，究竟如何從微小的基因變異中涌現(xiàn)？分子層面的細(xì)微擾動(dòng)，又是如何跨越基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞行為、組織結(jié)構(gòu)乃至個(gè)體尺度，逐級(jí)放大，最終“繪制”出具體而穩(wěn)定的形態(tài)表型？

近日，廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)以橙肌西氏鮑（

Haliotis gigantea

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后、論文第一作者韋曉慧，將于 2月13日（周四）晚19:30 做客集智俱樂(lè)部「」，深度解讀其最新研究工作。歡迎對(duì)細(xì)胞動(dòng)力學(xué)、生命復(fù)雜性及相關(guān)交叉領(lǐng)域感興趣的研究者與學(xué)子參與，共同探討前沿進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：顏色多態(tài)性；生物形態(tài)建成；基因型-表型；跨尺度調(diào)控；通用物理機(jī)制；多細(xì)胞演化

韋曉慧丨作者

集智俱樂(lè)部編輯團(tuán)隊(duì)丨編輯

論文題目：Genetic control of tissue remodeling by a non-coding SNP in ITGA8 explains carotenoid-based color polymorphism in marine mollusks 論文鏈接： https://doi.org/10.1002/advs.202520527 發(fā)表時(shí)間：2026年1月28日 發(fā)表期刊：Advanced Science

作者簡(jiǎn)介

韋曉慧，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后。主要研究方向?yàn)樯镱伾珗D案多態(tài)性的發(fā)育與演化機(jī)制。研究將致力于整合遺傳學(xué)、顯微成像、生物物理學(xué)和定量生物學(xué)等多學(xué)科交叉方法，多層次系統(tǒng)解析海洋生物、果蠅等不同物種中顏色圖案多樣性的形成規(guī)律。通過(guò)探究其背后的遺傳與物理作用機(jī)制，旨在揭示生物顏色圖案形成的自組織規(guī)律和普適性原則，并深入闡釋生物形態(tài)復(fù)雜性與多樣性的發(fā)育與演化規(guī)律。

這項(xiàng)研究關(guān)注的，并非“生命如何起源”的宏大敘事，而是一個(gè)更具體、也更具挑戰(zhàn)性的過(guò)程性問(wèn)題：生命的形態(tài)究竟是如何被一步步建成的。 一個(gè)單核苷酸（SNP）的改變，一次剪接方式的偏移，一點(diǎn)細(xì)胞黏附性質(zhì)的變化，層層疊加，最終在組織尺度上留下清晰可見(jiàn)的痕跡——一抹橙紅，由此顯現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)所呈現(xiàn)的，并不是一個(gè)戲劇化的突變故事，而是一條由微小擾動(dòng)逐級(jí)放大的跨尺度路徑，展示了復(fù)雜表型如何在發(fā)育過(guò)程中自然生成。

探索自然之色：解碼生物色彩多態(tài)性的奧秘

生物體的色彩多態(tài)性，為理解生命形態(tài)如何形成提供了一個(gè)直觀而理想的切入點(diǎn)。從火烈鳥的粉紅羽翼到蝴蝶的斑斕鱗片，從超黑蜘蛛的深邃光澤到花卉在陽(yáng)光下的艷麗反射，色彩構(gòu)成了自然界最醒目的差異之一，也承載著豐富的生物學(xué)信息。這些看似直觀的視覺(jué)特征背后，既蘊(yùn)含著遺傳變異與發(fā)育調(diào)控的作用，也反映了細(xì)胞與組織在空間結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上的系統(tǒng)性差異。

進(jìn)一步來(lái)看，生物色彩的形成遠(yuǎn)非單一機(jī)制所能解釋。色素分子的攝取、合成與代謝奠定了顏色的化學(xué)基礎(chǔ)；基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與發(fā)育程序決定了色素在不同組織和發(fā)育階段的分布；而細(xì)胞排列方式、組織結(jié)構(gòu)及其物理特性，則通過(guò)影響光的傳播與吸收過(guò)程，對(duì)最終呈現(xiàn)的顏色進(jìn)行放大或修飾。即便是看似“由色素決定”的色彩，其表現(xiàn)形式也深受組織微結(jié)構(gòu)的制約。

在此背景下，一個(gè)更深層的問(wèn)題隨之浮現(xiàn)：遺傳變異究竟如何通過(guò)改變細(xì)胞行為與組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響色素在體內(nèi)的積累與空間分布？細(xì)胞黏附、相分離和界面張力等通用物理過(guò)程，又是如何在不同尺度上協(xié)同作用，塑造出穩(wěn)定而可重復(fù)的色彩表型？

對(duì)這些問(wèn)題的回答，不僅有助于揭示生物顏色多態(tài)性的形成機(jī)制，也為理解遺傳調(diào)控與物理約束如何共同塑造生物形態(tài)提供了新的視角。生物的色彩并非只是自然的裝飾，而是生命系統(tǒng)多層次調(diào)控結(jié)果的直觀呈現(xiàn)，是通向發(fā)育與演化機(jī)制的一扇可視化窗口。

一個(gè)非編碼SNP的蝴蝶效應(yīng)：

從分子擾動(dòng)到宏觀色彩

一切始于一個(gè)看似不起眼的單核苷酸多態(tài)性——它并不改變?nèi)魏蔚鞍踪|(zhì)的氨基酸序列，卻深藏于整合素亞基α8（ITGA8）基因的非編碼區(qū)，卻由此觸發(fā)了一連串層層放大的生物學(xué)變化。

研究首先從表型入手。橙色西氏鮑（H. gigantea）以其鮮明的橙紅色肌肉為特征，表現(xiàn)出顯著高于野生型的類胡蘿卜素累積（圖1A-B）。鑒于西氏鮑的類胡蘿卜素主要來(lái)源于食物攝取且不在體內(nèi)發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，該差異更可能反映色素在組織層面的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)或代謝變化，而非合成途徑的改變，即類胡蘿卜素富集是其色澤形成的關(guān)鍵（圖1C-D）。

圖1：野生型和橙肌鮑的類胡蘿卜素含量分析

為解析其遺傳基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了高質(zhì)量、染色體水平的參考基因組（~1.30 Gb)，為后續(xù)功能研究提供了堅(jiān)實(shí)平臺(tái)（圖2A）。隨后，基于 100 只個(gè)體（50 只橙肌鮑與 50 只野生型鮑）的全基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)，開(kāi)展全基因組關(guān)聯(lián)分析。結(jié)果在第 7 號(hào)染色體上鑒定出一個(gè)顯著關(guān)聯(lián)區(qū)域，其中 SNP rs26532113 的關(guān)聯(lián)信號(hào)最強(qiáng)（圖2B）。單倍型分析進(jìn)一步表明，所有橙色肌肉個(gè)體在 rs26532113周圍共享一個(gè)1.80 Mb的單倍型，該單倍型假設(shè)為單一祖先模型，則可能的致病變異必定位于該區(qū)域內(nèi)（圖2C）。

在該候選區(qū)間內(nèi)，ITGA8 因其在細(xì)胞黏附、細(xì)胞—基質(zhì)相互作用及跨組織物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中的已知功能，被確定為最具解釋力的候選基因。該結(jié)果為后續(xù)從調(diào)控層面解析色彩表型的形成機(jī)制奠定了基礎(chǔ)（圖2D）。

圖2：西氏鮑的基因組組裝及全基因組關(guān)聯(lián)分析。A：西氏鮑基因組景觀；B：橙色肌肉位點(diǎn)的曼哈頓圖。C：與橙色肌肉表型相關(guān)的單倍型。所有橙色肌肉個(gè)體 rs26532113周圍共享一個(gè)1.80 Mb的單倍型，該區(qū)域由SNP rs24997956和rs26797726界定。D：橙色肌肉單倍型區(qū)域內(nèi)RefSeq基因模型及基因描述，其中顯示了SNPs的位置。

突變通過(guò)調(diào)控剪接因子結(jié)合驅(qū)動(dòng)RNA剪接

研究團(tuán)隊(duì)注意到，盡管橙肌鮑與野生型在 ITGA8 基因的整體表達(dá)水平上并無(wú)顯著差異，但其 RNA 剪接方式發(fā)生了系統(tǒng)性改變。進(jìn)一步的定量分析顯示，與野生型相比，橙肌個(gè)體中功能完整異構(gòu)體的比例明顯下降，而異常剪接異構(gòu)體的比例顯著升高，這表明，顏色差異并非源于基因“表達(dá)得多或少”，而是源于“表達(dá)出了什么樣的版本”。

圖3：ITGA8異構(gòu)體及其在野生型和橙肌鮑肌肉中的相對(duì)表達(dá)。A：ITGA8總表達(dá)量未見(jiàn)差異。B-C：轉(zhuǎn)錄本的剪接模式卻存在關(guān)鍵變化。鮑肌肉中存在三種ITGA8剪接異構(gòu)體，其中異構(gòu)體3因跳過(guò)第2外顯子并缺失關(guān)鍵序列，導(dǎo)致其編碼的整合素蛋白的經(jīng)典β-螺旋槳結(jié)構(gòu)不完整，預(yù)測(cè)其蛋白功能會(huì)嚴(yán)重受損。D：定量分析顯示，與野生型鮑比，橙肌鮑中ITGA8異構(gòu)體1表達(dá)比例顯著下調(diào)，而異常異構(gòu)體3顯著上調(diào)（P < 0.01），異構(gòu)體2則無(wú)變化。

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與橙色表型高度相關(guān)的 SNP rs26532113 位于 ITGA8 基因的非編碼區(qū)。該位點(diǎn)在橙肌個(gè)體中呈現(xiàn)一致的變異形式，而在野生型中則以另一形式為主。該區(qū)域在進(jìn)化上較為保守，同時(shí)具有明顯的調(diào)控特征，這提示該SNP可能并非“沉默”變異，而是參與調(diào)控基因表達(dá)或RNA剪接過(guò)程。

圖4：rs26532113調(diào)控選擇性剪接的功能驗(yàn)證。A：該變異位于 ITGA8 基因的第 3 個(gè)內(nèi)含子內(nèi)。B：遺傳分析顯示，所有橙色肌肉個(gè)體在該位點(diǎn)均為“A”等位基因的純合子，而野生型個(gè)體則主要為“G”等位基因的純合子或雜合子，提示該變異與表型高度關(guān)聯(lián)。C：rs26532113位于一個(gè)進(jìn)化上保守的非編碼區(qū)域，且染色質(zhì)可及性測(cè)序（ATAC-seq）結(jié)果顯示其周圍存在顯著的開(kāi)放染色質(zhì)峰，表明該區(qū)域具有潛在的調(diào)控功能。D：為驗(yàn)證其功能，研究人員構(gòu)建了包含“G”（野生型）和“A”（變異型）等位基因的 ITGA8 外顯子-內(nèi)含子迷你基因報(bào)告系統(tǒng)，并在HEK293T細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)。E：結(jié)果顯示，攜帶“G”等位基因的報(bào)告基因僅產(chǎn)生一種正常剪接產(chǎn)物，而攜帶“A”等位基因的則出現(xiàn)兩條額外條帶。Sanger測(cè)序確認(rèn)其為異常剪接事件，包括互斥外顯子（MXE）選擇和外顯子跳躍（SE），直接證明該SNP可改變 ITGA8 的選擇性剪接模式。F-G：在野生型鮑中，ILF2結(jié)合于 ITGA8 內(nèi)含子的“G”等位基因位點(diǎn)，招募剪接復(fù)合物，確保正常剪接；而在橙色肌肉個(gè)體中，由于“A”突變導(dǎo)致ILF2無(wú)法結(jié)合，剪接調(diào)控失衡，異常剪接事件改變，功能受損的異構(gòu)體3（缺失關(guān)鍵結(jié)構(gòu)域）比例顯著上升。

機(jī)制研究結(jié)果顯示，在野生型中，該位點(diǎn)能夠被一種參與 RNA 剪接調(diào)控的因子識(shí)別，從而保證基因按“正常路徑”被處理；而當(dāng)該位點(diǎn)發(fā)生突變后，這種識(shí)別能力顯著減弱，剪接過(guò)程隨之偏離，異常 RNA 版本的產(chǎn)生頻率明顯上升。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，僅改變這一個(gè)堿基，就足以顯著改變基因生成的 RNA 版本組成。

綜上，這項(xiàng)研究表明，一個(gè)不編碼蛋白的遺傳變異，可以通過(guò)改變基因信息的處理方式，系統(tǒng)性地影響蛋白功能和細(xì)胞行為，并最終在組織層面形成穩(wěn)定、可見(jiàn)的顏色差異。

從基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)到組織重塑：

細(xì)胞黏附的重新編程

為深入解析野生型與橙肌鮑之間類胡蘿卜素積累差異的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)整合了轉(zhuǎn)錄組與磷酸化蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)。多組學(xué)分析、組織超微結(jié)構(gòu)觀察及功能實(shí)驗(yàn)共同表明，橙肌鮑中類胡蘿卜素的異常積累并非由單一代謝過(guò)程驅(qū)動(dòng)，而是源于以整合素為核心的細(xì)胞黏附與信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性改變。轉(zhuǎn)錄組和磷酸化蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)顯示，與野生型相比，橙肌組織中多種細(xì)胞黏附相關(guān)分子及其下游信號(hào)通路活性整體下降，指向細(xì)胞間連接和組織穩(wěn)定性減弱。

這一分子層面的變化在組織結(jié)構(gòu)上得到直接體現(xiàn)。電鏡觀察顯示，橙肌組織中細(xì)胞間隙擴(kuò)大、細(xì)胞外基質(zhì)減少，組織通透性明顯增強(qiáng)。結(jié)合 ITGA8 功能型剪接異構(gòu)體減少、缺陷型異構(gòu)體增加的分子證據(jù)，結(jié)果支持如下機(jī)制：整合素功能受損削弱了細(xì)胞黏附能力，重塑了組織的物理微環(huán)境，從而為類胡蘿卜素在組織中的擴(kuò)散和富集創(chuàng)造了有利條件。

細(xì)胞模型中的功能驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)了這一因果關(guān)系。降低 ITGA8 功能可直接削弱細(xì)胞黏附并促進(jìn)脂質(zhì)和類胡蘿卜素積累，而過(guò)表達(dá)正常 ITGA8 功能則可逆轉(zhuǎn)上述效應(yīng)。總體而言，這些結(jié)果構(gòu)建了一條從遺傳調(diào)控改變到細(xì)胞行為變化，再到組織結(jié)構(gòu)重塑并最終影響色彩表型的多尺度路徑。

圖5：多組學(xué)分析、細(xì)胞組織重塑及ITGA8可變剪切在類胡蘿卜素累積中的作用。A：轉(zhuǎn)錄組分析顯示，橙肌鮑肌肉中大量差異表達(dá)基因集中于以整合素為核心的細(xì)胞黏附與結(jié)構(gòu)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，包括細(xì)胞—細(xì)胞連接、細(xì)胞—基質(zhì)相互作用及細(xì)胞骨架調(diào)控相關(guān)通路。整體趨勢(shì)表明，橙肌組織中與細(xì)胞黏附和組織穩(wěn)定性相關(guān)的分子程序被系統(tǒng)性削弱。B：磷酸化蛋白質(zhì)組分析顯示，橙肌組織中多種細(xì)胞黏附相關(guān)蛋白及整合素下游信號(hào)分子的磷酸化水平降低，Hippo 等關(guān)鍵信號(hào)通路活性減弱，提示整合素介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)整體受抑。C：透射電鏡觀察顯示，橙肌組織中細(xì)胞間隙明顯擴(kuò)大，細(xì)胞膜邊界模糊，細(xì)胞外基質(zhì)減少，呈現(xiàn)出組織通透性增強(qiáng)的超微結(jié)構(gòu)特征。這一結(jié)構(gòu)變化與細(xì)胞黏附減弱的分子和信號(hào)特征高度一致。D：在細(xì)胞模型中敲低 ITGA8 后，細(xì)胞黏附能力顯著下降，細(xì)胞膜完整性受損，細(xì)胞間間隙增大，同時(shí)脂質(zhì)和類胡蘿卜素（玉米黃質(zhì)）積累顯著增加，表明 ITGA8 功能下降可直接促進(jìn)色素富集。E–F：功能實(shí)驗(yàn)顯示，過(guò)表達(dá)正常 ITGA8 異構(gòu)體可增強(qiáng)細(xì)胞黏附并抑制色素?cái)z取；而表達(dá)模擬鮑魚缺陷型的異構(gòu)體3突變體則功能受損，與異構(gòu)體1相比，反而促進(jìn)色素沉積，驗(yàn)證不同剪接產(chǎn)物在功能上的顯著差異。

綜上，本研究首次構(gòu)建了一條從非編碼SNP →ITGA8-mRNA 剪接失調(diào) → 整合素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)變化 → 改變細(xì)胞黏附 → 微環(huán)境&組織結(jié)構(gòu)重塑→ 促進(jìn)色素沉積→ 橙色表型形成的完整機(jī)制鏈（圖6），揭示了遺傳變異如何通過(guò)級(jí)聯(lián)作用調(diào)控“細(xì)胞社會(huì)行為”的重編程，跨尺度驅(qū)動(dòng)生物形態(tài)創(chuàng)新。這不僅為色素多態(tài)性的形成提供了全新解釋，也為理解基因調(diào)控如何塑造組織結(jié)構(gòu)與生理功能提供了典范。

“這就像城市交通網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)信號(hào)燈的故障，最終改變了整個(gè)城市的物流路徑。”研究人員形象地比喻道，“我們看到的，是一個(gè)微小的遺傳變化，如何通過(guò)重塑‘細(xì)胞的社會(huì)秩序’，最終‘繪制’出肉眼可見(jiàn)的生命色彩。”

圖6：野生型和橙肌鮑魚類胡蘿卜素差異積累機(jī)制的示意圖。該示意圖總結(jié)了從遺傳變異到色彩表型形成的完整路徑：非編碼SNP →RNA 剪接失調(diào) → 整合素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)變化 → 改變細(xì)胞黏附 → 微環(huán)境&組織結(jié)構(gòu)重塑→促進(jìn)色素沉積→ 橙色表型。

基因型—表型映射的新圖景：

發(fā)育是橋梁，物理是約束

長(zhǎng)期以來(lái)，進(jìn)化生物學(xué)面臨一個(gè)核心難題：基因型是如何調(diào)控生物表型的？傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，基因組編碼了構(gòu)建生物形態(tài)的“遺傳程序”，新表型源于基因的隨機(jī)突變，而形態(tài)的演化則由這些變異在繁殖成功率上的差異所驅(qū)動(dòng)。按照這一視角，若發(fā)育過(guò)程完全由遺傳程序決定，那么理論上可能產(chǎn)生的形態(tài)表型種類幾乎不受先驗(yàn)限制。然而，現(xiàn)實(shí)中的發(fā)育過(guò)程并非無(wú)限自由，而是受到所謂“發(fā)育約束”的深刻制約。

這些約束并非偶然，而是源于胚胎發(fā)育過(guò)程中固有的物理與力學(xué)機(jī)制。值得注意的是，這些機(jī)制可能并非生物進(jìn)化特有，而是細(xì)胞集體作為物理系統(tǒng)時(shí)必然表現(xiàn)出的普遍特性。這一思想在科學(xué)史上早有淵源，例如達(dá)西·湯普森（D'Arcy Thompson, 1917）在其經(jīng)典著作《生長(zhǎng)與形態(tài)》（On Growth and Form）中便強(qiáng)調(diào)，生物形態(tài)的形成可由物理規(guī)律加以解釋。諸如細(xì)胞黏附、相分離、重力、擴(kuò)散和界面張力等普遍存在于非生命與生命系統(tǒng)中的通用物理過(guò)程，同樣在形態(tài)發(fā)生和圖式形成中扮演關(guān)鍵角色。

這些物理原理不僅塑造了組織結(jié)構(gòu)的自組織能力，也在基因調(diào)控與最終表型實(shí)現(xiàn)之間架起了一座橋梁。它們能夠直接調(diào)控細(xì)胞的遷移、分化與空間排列，從而限制或引導(dǎo)發(fā)育的可能路徑。這種跨尺度的系統(tǒng)視角，為理解基因型-表型映射的非線性本質(zhì)提供了新的理論框架。生物形態(tài)形成與演化可能并非完全由基因“指令”線性決定，而是在基因調(diào)控與物理約束共同作用下的動(dòng)態(tài)結(jié)果。

這項(xiàng)研究為這一觀點(diǎn)提供了有力的實(shí)證支持，揭示了生物表型并非基因的直接產(chǎn)物，而是遺傳調(diào)控與物理規(guī)律（差異粘附）共同塑造的結(jié)果。一個(gè)非編碼SNP并未直接“命令”細(xì)胞變色，而是通過(guò)微調(diào)細(xì)胞物理參數(shù)（如黏附），擾動(dòng)細(xì)胞間的相互作用網(wǎng)絡(luò)，間接重構(gòu)組織微環(huán)境，在物理規(guī)律放大作用下，自組織出復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)和顏色。這意味著，基因并不“指定”形態(tài)，而是“調(diào)節(jié)”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。表型多樣性依賴于多層次的反饋與整合，包括基因調(diào)控、細(xì)胞通訊、物理響應(yīng)與代謝流動(dòng)。這一視角不僅為生物多態(tài)性的演化提供了機(jī)制性解釋，更為解析其他復(fù)雜性狀（如體型、器官形態(tài)等）提供了方法論啟示。

生命作為物理與信息的交響圖景，恰如一場(chǎng)基因編寫的樂(lè)章在物理空間的共鳴：基因設(shè)定音階與節(jié)奏，物理規(guī)律則如聲學(xué)原理般決定和聲如何交織，余韻如何擴(kuò)散。無(wú)論是艾倫·圖靈提出的反應(yīng)-擴(kuò)散模型解釋動(dòng)物斑圖的形成，還是Notch信號(hào)通路介導(dǎo)的側(cè)向抑制決定了神經(jīng)元的精確間距，我們都能看到，寥寥數(shù)個(gè)基因編碼的分子（形態(tài)發(fā)生素），通過(guò)簡(jiǎn)單的激活-抑制、擴(kuò)散和降解等物理化學(xué)過(guò)程，就能在時(shí)空尺度上涌現(xiàn)出斑馬的條紋、向日葵的螺旋、乃至我們大腦神經(jīng)元的復(fù)雜連接。生命的美，不在于單一遺傳指令的機(jī)械執(zhí)行，而在于無(wú)數(shù)簡(jiǎn)單規(guī)則在時(shí)空尺度上自組織、自適應(yīng)所涌現(xiàn)出的集體智慧——這是發(fā)育的詩(shī)意，也是進(jìn)化的深意。

生命之“形”的算法啟示：

從細(xì)胞規(guī)則到智能系統(tǒng)

當(dāng)前形態(tài)發(fā)生（morphogenesis）前沿研究的核心問(wèn)題，正是：復(fù)雜結(jié)構(gòu)如何從簡(jiǎn)單的局部規(guī)則中“涌現(xiàn)”？理解細(xì)胞群體如何感知整體構(gòu)型、何時(shí)啟動(dòng)與終止構(gòu)建、以及如何在損傷后實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)修復(fù)，已成為未來(lái)生物醫(yī)學(xué)的關(guān)鍵使命。

若我們能夠設(shè)計(jì)出具備生物級(jí)可塑性與魯棒性的系統(tǒng)——即能夠自組織、自修復(fù)，并按需構(gòu)建特定結(jié)構(gòu)的智能生命體或仿生機(jī)器，便有望徹底變革再生醫(yī)學(xué)、組織工程乃至人工智能的發(fā)展范式。這不僅意味著器官的體外再生與體內(nèi)修復(fù)成為常態(tài)，更預(yù)示著一種全新的技術(shù)文明：以生命為藍(lán)本，造物由“制造”走向“生長(zhǎng)”。

未來(lái)，文章第一作者將致力于將研究拓展至果蠅、魚類及其他具有顏色與圖案多態(tài)性的物種，系統(tǒng)探究這種跨尺度調(diào)控機(jī)制的普適性，逐步構(gòu)建“從基因到生物表型”的完整調(diào)控圖譜，深入揭示基因如何調(diào)控細(xì)胞群體通過(guò)分子與發(fā)育程序形成復(fù)雜圖案與形態(tài)的內(nèi)在規(guī)律。同時(shí)，研究還將聚焦于構(gòu)建可計(jì)算的發(fā)育模型，以模擬并預(yù)測(cè)生物圖案與形態(tài)發(fā)生的動(dòng)態(tài)過(guò)程，嘗試將發(fā)育生物學(xué)向定量化、可預(yù)測(cè)的方向邁進(jìn)。

展望未來(lái)，生物學(xué)或?qū)?shí)現(xiàn)從“觀察與解釋”向“預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)”的范式躍遷。當(dāng)我們真正讀懂生命，尤其是細(xì)胞的語(yǔ)言，理解組織如何通過(guò)局部規(guī)則“計(jì)算”出宏觀結(jié)構(gòu)，或許終將掌握改寫生命形態(tài)的鑰匙——不僅重現(xiàn)自然的智慧，更超越其邊界，開(kāi)啟再生醫(yī)學(xué)、合成生物學(xué)與智能生命系統(tǒng)的新篇章。

講座預(yù)告｜第一作者親自解讀

本期細(xì)胞動(dòng)力學(xué)讀書會(huì)，我們榮幸邀請(qǐng)到本次讀書會(huì)發(fā)起人之一、西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后韋曉慧作為主講人。她將以論文第一作者的身份，于 2月13日（周五）晚7:30，在集智俱樂(lè)部線上會(huì)議室系統(tǒng)解讀該研究的設(shè)計(jì)、發(fā)現(xiàn)與意義。若您想和韋曉慧老師在會(huì)議室直接對(duì)話、深入探討，歡迎報(bào)名！

報(bào)告簡(jiǎn)介

自達(dá)爾文以“Endless forms most beautiful ”贊頌生命以來(lái)，一個(gè)根本性問(wèn)題始終縈繞在科學(xué)家的思考之中：生命形態(tài)的演化，究竟是一場(chǎng)無(wú)邊界的即興生成，還是在某種無(wú)形卻受約束的“設(shè)計(jì)藍(lán)圖”之內(nèi)展開(kāi)？從一個(gè)高度可塑的單細(xì)胞起點(diǎn)，生命如何跨越尺度與復(fù)雜性的鴻溝，演化出結(jié)構(gòu)精巧、功能多樣的形態(tài)？這一躍遷背后，究竟需要怎樣的驅(qū)動(dòng)力？

達(dá)爾文所贊嘆的“Endless forms”，或許并非隨意的潑墨，而是在遵循一張由遺傳潛能、物理定律與環(huán)境選擇共同繪制的壯麗藍(lán)圖。這張藍(lán)圖既不預(yù)設(shè)具體結(jié)果，卻在可能性的空間中施加深刻約束，使生命得以在秩序與偶然之間不斷生成新的復(fù)雜性。

為了探尋這張“藍(lán)圖”的繪制規(guī)則，本報(bào)告將回顧多年研究成果，并綜合生命起源、實(shí)驗(yàn)演化及理論物理領(lǐng)域的數(shù)項(xiàng)突破性研究，旨在從三個(gè)層面揭示：生命形態(tài)的起點(diǎn)比傳統(tǒng)認(rèn)知更具可塑性；演化的過(guò)程能通過(guò)精妙而普適的物理規(guī)律實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)的復(fù)雜躍遷；而這一切的最終指向，或許是一條用以解釋物質(zhì)如何在演化中不斷邁向有序與復(fù)雜的普適性法則。

分享大綱

1. 從基因變異到宏觀生命色彩——跨尺度形成機(jī)制解析

2. 通用物理機(jī)制——連接基因與表型的理論橋梁

3. 重新理解多細(xì)胞生物形態(tài)形成，形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及適應(yīng)性進(jìn)化

核心概念

顏色多態(tài)性；生物形態(tài)建成；基因型-表型；跨尺度調(diào)控；通用物理機(jī)制；多細(xì)胞演化

參考文獻(xiàn)

1. Lenski, Richard E., et al. "The evolutionary origin of complex features." Nature 423.6936 (2003): 139-144.

2. Bozdag, G. Ozan, et al. "De novo evolution of macroscopic multicellularity." Nature 617.7962 (2023): 747-754.

3. Sogabe, Shunsuke, et al. "Pluripotency and the origin of animal multicellularity." Nature 570.7762 (2019): 519-522.

4. Budd, Graham E. "Morphospace." Current Biology 31.19 (2021): R1181-R1185.

5. Wong, Michael L., et al. "On the roles of function and selection in evolving systems." Proceedings of the National Academy of Sciences 120.43 (2023): e2310223120.

2026年2月13日（周五）晚19:30-21:30，騰訊會(huì)議線上進(jìn)行，微信視頻號(hào)+集智俱樂(lè)部B站號(hào)同步直播，感興趣的朋友掃碼報(bào)名加入細(xì)胞動(dòng)力學(xué)讀書會(huì)后，可進(jìn)入學(xué)員群進(jìn)行交流。

直播信息

報(bào)名讀書會(huì)：

「細(xì)胞動(dòng)力學(xué):基因網(wǎng)絡(luò)、群細(xì)胞、組織形態(tài)與發(fā)育」

本次讀書會(huì)由李輝、王維康、韋曉慧三位學(xué)者及王艷博士共同發(fā)起，并沿兩條主線展開(kāi)：一是探討細(xì)胞命運(yùn)、多穩(wěn)態(tài)等理論核心；二是結(jié)合單細(xì)胞測(cè)序、時(shí)序推斷等方法，學(xué)習(xí)如何將靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)模型。

本次讀書會(huì)中將融合物理學(xué)、復(fù)雜科學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)，從Waddington景觀、自組織臨界，到反應(yīng)-擴(kuò)散模型與類器官實(shí)驗(yàn)，繪制一幅理解細(xì)胞命運(yùn)與群體動(dòng)力學(xué)的連貫地圖。

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