我們實驗室裡的人體細胞看起來溫順。它們是正常細胞，不是癌細胞，癌細胞能夠不受控制地增殖、侵入附近的組織，並最終可能致死。
但是，當我們強迫這些細胞改變形狀，透過拉扯它們的邊緣來拉伸它們時，發生了一些令人不安的惡性變化。這種操作，將它們圓形的隆起展平，增加了細胞內兩種蛋白質 YAP 和 TAZ 的活性。隨著這些蛋白質達到峰值，我們的良性細胞開始表現出癌變的行為，不受控制地複製。令人震驚的是，看到這些變化不是由基因修飾觸發的，而是由一種物理力觸發的。
現代生物學家傾向於用基因和蛋白質來解釋細胞的生命：基因 A 產生一種蛋白質，控制基因 B，基因 B 反過來產生蛋白質 X，依此類推，這些分子決定細胞的行為。最終，基因確實告訴細胞如何行動。然而，越來越清楚的是，細胞中一些最重要的過程是由來自周圍環境（如附近的細胞或液體）的機械拉扯和推動引發的。
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在過去的幾十年裡，研究細胞如何解讀這些推拉力的科學家們，即力學生物學領域的專家們，已經瞭解到這些力量有多麼強大。例如，周圍有空間的細胞會持續分裂，而數千個細胞聚集在一起的細胞生長速度會慢得多或停止生長。組織硬度也很重要：一類具有分化成多種型別潛力的幹細胞，在模擬大腦硬度的環境中會變成神經元，但在遇到肌肉型硬度時會變成肌肉細胞。這些力學原理指導著實驗室培養皿中幹細胞的自組裝，形成複雜的器官，如眼睛的某些部分或通常在大腦中發現的結構。
直到最近，還沒有人確切知道細胞是如何將物理壓力轉化為改變活動的指令的。但我們實驗室過去幾年的實驗指向了一個難以捉摸的聯絡。我們的工作表明，YAP 和 TAZ 構成了一個分子開關，將細胞外區域的力量連線到細胞核中的基因，最終由基因執行這些指令。當細胞以某種方式被拉扯時，YAP 和 TAZ 會對這種力做出反應，並激活決定細胞行為的基因。這項發現與世界各地其他科學家的激動人心的研究一起，為從胚胎髮育到組織維護和傷口癒合等一系列生物過程的工作原理提供了新的見解。它也為攻擊癌症和推進在實驗室中培育新器官的努力提出了新的途徑。
自然之力
無數的機械力在生物體內運作，儘管大多數人只知道最明顯的力，如心臟跳動、肌肉伸縮和血液流動。生物學家長期以來一直欣賞這些重複收縮和伸展的大規模效應。例如，來自體育鍛煉的機械負荷促進骨骼礦化並預防骨質疏鬆症，而血管的有節奏擴張則保護它們免受動脈硬化的影響。
然而，物理力也在微觀層面上深刻地影響著人體，作用於人體估計的 40 萬億個細胞中的每一個細胞。這些力的產生是因為細胞彼此連線的方式。每個細胞都有一個內部框架，即細胞骨架，由專門的蛋白質組組成，這些蛋白質充當纜繩、支柱和拉桿。這些蛋白質支撐和塑造細胞核、各種其他稱為細胞器的結構以及細胞膜。在細胞膜外，細胞表面的粘附蛋白將內部細胞骨架與外部世界連線起來。它們將自身錨定到稱為細胞外基質的外部絲狀蛋白質格柵上，而細胞外基質又與其他細胞相連。
細胞的細胞骨架和周圍的細胞外基質處於持續的拉鋸戰中。例如，附近基質的變形會將粘附位點向外拉。如果不加以阻止，這種作用會拉伸細胞。然而，細胞會以相等的向內收縮和細胞骨架的重組來響應這種拉力。這種來回運動穩定了細胞形狀。但它顯然是動態的：如果細胞遇到不同的機械應力模式，它可以快速重置，最終改變細胞的整體形狀。
從 1970 年代後期開始，科學家們開始認識到，影響這些結構的機械訊號對於控制細胞繁殖（也稱為細胞生長）至關重要。哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所的唐納德·英格伯和倫敦國王學院的菲奧娜·瓦特開發了透過將細胞附著到印刷在玻片上的不同粘性細胞外基質蛋白點上來工程化細胞形狀的方法。值得注意的是，細胞只有在錨定到大面積區域時才會繁殖，這使得它們能夠伸展和展平。如果將完全相同的細胞紮根於小面積區域，它們會變圓、停止分裂並開啟導致它們分化（成熟為專門的細胞型別）或死亡的基因程式。
這些發現引起了很多關注。但這個圖景中缺少了一些東西。為了調節細胞繁殖或分化，機械力必須影響細胞的核心——它的基因組，並開啟許多負責生長或死亡的基因。是什麼將物理世界和生物世界聯絡起來？細胞力學是如何轉化為完美協調的基因活動變化的？
這些問題吸引了我以及我在義大利帕多瓦大學的同事們。大約五年前，我的研究團隊成員西里奧·杜邦循著科學偵探的最佳傳統，追蹤了一條線索。他首先搜尋了一個計算機資料庫，查詢由機械應力啟用的基因。（如果你拉扯一個細胞，這些基因就會開始活動。）然後他搜尋了與控制這些基因相關的蛋白質。他發現了兩種：YAP 和 TAZ。
然後，我們透過實驗室實驗證實，YAP 和 TAZ 確實形成了一個開關，可以開啟和關閉細胞對物理力的反應。透過實驗性地增加或減少細胞產生的 YAP 和 TAZ 的量，我們可以控制細胞行為，覆蓋細胞形狀的任何變化。例如，如果我們在已經停止生長和分裂的小而圓的細胞中提高 YAP 和 TAZ 水平，我們可以恢復增殖。
這個開關的工作原理似乎是這樣的：通常，YAP 和 TAZ 位於細胞的細胞質中。當細胞骨架被拉伸時，它們會移動到細胞核，停留在 DNA 的選定位置並激活特定的生長誘導基因。如果 YAP 和 TAZ 水平升高，更多的蛋白質可以進行這種移動並變得活躍。相反，在侷限於小面積區域的圓形細胞中，YAP 和 TAZ 仍然留在細胞質中——在那裡它們會降解——並停留在細胞核外。
這兩種蛋白質是近親，儘管它們的名字不同。它們的分子結構非常相似，並且執行重疊的功能。因此，它們通常被稱為一個：YAP/TAZ。
保持器官的形狀
當在組織和器官中研究 YAP/TAZ 開關時，它對於身體正常功能的重要性變得清晰起來。考慮一下組織受傷時會發生什麼，例如皮膚被割傷。當細胞因這種損傷而丟失時，剩餘細胞壓力降低會告訴它們，它們有更多自由空間。因此，它們會擴散開來，拉伸它們的細胞骨架。這種拉伸似乎激活了 YAP/TAZ，促進細胞增殖。當受傷區域充滿新細胞，重新創造一個更緊密、抑制生長的環境時，這個過程就會停止。
一些對小鼠的實驗表明，這個序列是如何在真實器官中運作的。約翰·霍普金斯大學的 Duojia (D. J.) Pan 證明，YAP 對於小鼠炎症性損傷（結腸炎）後腸道細胞內層的再生至關重要。德克薩斯大學西南醫學中心的埃裡克·奧爾森證明，YAP/TAZ 能夠促進心臟病發作後的部分心肌再生。當研究人員對小鼠進行基因工程改造，使其皮膚產生額外的 YAP 時——洛克菲勒大學的伊萊恩·富克斯和波士頓兒童醫院的費爾南多·卡馬戈都進行了這項工作——外層皮膚增厚並以異常方式分層。因此，YAP/TAZ 的水平似乎必須“恰到好處”才能實現正常的組織再生。太少會導致癒合失敗，而太多則意味著細胞可能會堆積在異常組織中，這會帶來腫瘤發展的風險。
損傷修復並不是正常運作的 YAP/TAZ 開關對健康至關重要的唯一原因。即使沒有傷口或疾病，我們的許多器官也需要不斷補充細胞。之所以需要這樣做，是因為器官的壽命長達數十年，但其中每個細胞的壽命通常要短得多。新細胞必須彌補舊細胞的死亡，否則器官會萎縮和死亡。
然而，細胞數量的平衡只是器官維護的一個方面。第二個方面是控制這些新細胞在器官中的生長位置。器官就像緊密排列的公寓樓——它們是各種細胞型別的集合，每種細胞型別都位於複雜的三維結構中。這種空間組織也是一代又一代地補充的。“什麼東西應該放在哪裡”的資訊從哪裡來？新的發現表明，答案再次涉及 YAP/TAZ 以及它對器官三維形狀的反應方式。
器官結構是複雜的。它是各種結構的集合，例如凹坑、邊界、凸面或凹面曲線以及平面層，所有這些都由細胞在其相關的細胞外基質支架中的配合方式定義。由於該支架的壽命實際上比附著在其上的細胞更長，因此它可以作為新進入細胞的空間記憶，回答那個至關重要的“什麼東西應該放在哪裡”的問題。
然而，難題在於支架是如何做到這一點的。普林斯頓大學的塞萊斯特·納爾遜、波士頓大學的克里斯托弗·陳以及在我小組工作的瑪麗亞切萊斯特·阿拉戈納提供了證據，表明答案在於支架的不同形狀。這種變化會產生不同的機械力，從而影響細胞行為。例如，當我們設計一種裝置，使我們能夠在特定點彎曲多細胞層時——想想從平坦道路上隆起的減速帶——只有在彎曲區域周圍伸展的細胞才會啟用 YAP/TAZ 並增殖。這一發現使我們提出，區域性組織解剖結構透過影響 YAP/TAZ 的啟用來控制組成細胞的行為。在組織伸展或彎曲的區域，被啟用並移動到細胞核的 YAP/TAZ 的量達到峰值，而在扁平、密集堆積的細胞層中，該量會下降。透過這種方式，組織結構可以形成一個模板，透過許多細胞世代延續器官形狀，體現身體元件的記憶，而這些元件本身沒有記憶。
YAP/TAZ 對細胞周圍環境的反應可以解釋另一個謎團：器官是如何知道何時停止生長的。在我實驗室發現這對組合在將機械訊號傳遞到細胞核中的作用時，YAP/TAZ 已經成為人們關注的焦點，因為科學家們觀察到，細胞中這些因子的活性水平高於正常動物的動物會發育出巨大的器官。由於組織結構會影響這對組合的活性，並且機械力會隨著器官的生長而變化，我們懷疑當器官達到正確的大小時，由此產生的力平衡會關閉 YAP/TAZ 活性並停止進一步生長。
地形只是器官中可能影響機械力並影響細胞命運的一個特徵。第二個特徵是細胞可能遇到的不同型別的地面。細胞所附著的細胞外基質確實不是單調的，而是具有不同的紋理。一些組織，如骨骼，創造出堅硬、緻密的基質，就像堅固的岩石一樣。其他組織，如腦組織或脂肪，則發育出柔軟得多的版本。換句話說，每個器官的基質都有其自身的特徵。
這些特徵在器官發育和再生中顯得至關重要。值得注意的是，它們不同的機械特性指導著一種非常重要的細胞型別的努力：間充質幹細胞。這些細胞存在於許多成年器官中，並在損傷後有助於修復。它們分化成各種各樣的細胞型別，包括骨骼細胞、脂肪細胞、神經細胞和肌肉細胞。多年來，生物學家們一直認為，間充質幹細胞在其目的地發現的化學因子混合物決定了它們的命運。但亞當·恩格勒和丹尼斯·迪舍爾（當時都在賓夕法尼亞大學）在 2006 年發表在《細胞》雜誌上的一篇論文中駁斥了這一觀點。他們設計了具有一系列剛度的合成基質，這些剛度與不同組織的典型剛度相匹配。令人震驚的是，當間充質幹細胞被放置在這些不同的基質中時，它們表現出變色龍般的行為。它們在針對大腦硬度調整的基質上變成了神經元，並在具有肌肉硬度的基質上變成了肌肉。
當杜邦在帕多瓦重複這些實驗時，他發現間充質幹細胞中 YAP/TAZ 的啟用程度隨著不同基質的剛度而變化。例如，在非常硬的基質上，YAP/TAZ 在細胞中更活躍，並引導這些細胞走向骨骼。然而，在最柔軟的環境中，YAP/TAZ 的總體水平和活性下降，這些幹細胞變成了脂肪細胞。透過實驗性地玩弄 YAP/TAZ 的水平和活性，我們實際上可以欺騙這些細胞：在柔軟的間充質幹細胞（即將變成脂肪的細胞）中新增修飾版的 YAP/TAZ，使它們表現得好像它們在更硬的基質上一樣，並將它們變成了骨骼。
細胞開關療法
生物醫學界已經開始關注幹細胞，正是因為它們具有分化成多種專門細胞型別的能力。希望透過適當的引導，這些細胞可以修復和補充受損組織，甚至可以生長成替代器官。但為了利用幹細胞，研究人員需要了解它們如何對物理力做出反應。
例如，產生肌肉的幹細胞可以用來增強肌肉萎縮症患者的虛弱組織。但幹細胞需要在體外培養成足夠大的群體才能產生治療效果。斯坦福大學的海倫·布勞表明，只有當肌肉乾細胞在與正常肌肉環境彈性完全匹配的材料上生長時，才會發生這種生產。
在體外構建新器官——現在正接近科學現實的科幻前景——也取決於理解機械訊號最終是如何改變細胞活動的。在經典的科幻電影《銀翼殺手》中，研究人員在容器中培育出功能正常的眼睛。現在，日本神戶理化學研究所發育生物學中心的已故笹井芳樹和他的同事們已經證實，從漂浮在柔軟細胞外基質中的最初相同的胚胎幹細胞球開始，可以在培養皿中製造出胚胎眼睛。當球體達到適當大小時，細胞層開始自主摺疊、扭曲和下沉，像活體摺紙一樣機械地自組裝成類似眼睛的結構。只有當科學家們將細胞從塑膠培養皿中扁平壁施加的機械約束中分離出來，並讓它們遵循一系列機械操作驅動的內部發育指令碼時，才會發生這種現象：摺疊、拉伸、彎曲，以及在此處軟化，並在那裡變得更硬。
英格伯和他的同事最近報告的所謂晶片器官也服從這些物理訊號。英格伯的團隊沒有在塑膠培養皿上培養細胞，而是在微型容器中培養細胞，這些容器透過微量的液體對細胞施加壓力。這些裝置可以以精細的精度改變壓力。透過這種方式，細胞體驗到真實組織的典型機械應變。例如，肺細胞暴露於模擬生理呼吸運動的壓力和釋放週期，腸細胞則受到類似於消化道運動的拉伸和壓縮。重建我們身體的正常節律和壓力，喚醒了一些原本遲鈍、未分化細胞團中意想不到的行為。其中一些細胞自發地轉變成類似器官的分化結構。
如果組織使用 YAP/TAZ 的機械調節來增加或減少其幹細胞的數量，那麼蛋白質開關可能使我們能夠按需生產更多這些細胞。幹細胞僅存在於組織內隱蔽的位置——在邊界、隆起或空心管的底部——即在特殊的機械生態位中。這些受限區域可能能夠在細胞中灌輸“乾性”，即自我再生的能力，同時產生多種細胞型別的後代。在其中幾個位置，幹細胞在其細胞核中顯示出高水平的 YAP/TAZ，這增加了它們的繁殖能力，並且這些位置似乎會影響這些蛋白質水平。透過設計模擬體內那些生態位的生態位，研究人員可能能夠在實驗室中擴增稀有的幹細胞群體。在不遠的將來，我們或許能夠透過遞送刺激細胞中 YAP/TAZ 活性的藥物來操縱活體組織內的幹細胞。或者，藥物可以關閉它，這應該會阻止擴張並誘導細胞轉變成給定組織所需的特定細胞型別。
幹細胞療法確實有陰暗面：如果這些細胞沒有分化成所需的組織型別，而是持續生長，則可能無效甚至危險。癌症幹細胞是癌症細胞中最危險的型別，它們的行為就是這樣。這種風險是許多從事力學生物學研究的人認為，未來任何嘗試給患者注射幹細胞進行治療都需要確保這些細胞最終進入適當的物理環境的原因之一。錯誤的周圍環境力可能會將這些細胞推向不良的道路，走向不適當的細胞型別或癌性生長。
牽動癌症的琴絃
事實上，當研究幹細胞和再生醫學領域的科學家們希望促進這些細胞的擴增並再生受損組織時，癌症研究人員卻在努力做相反的事情：限制生長。在這裡，作用於細胞的物理力也可能發揮決定性作用。40 年來，抗擊癌症的戰爭在很大程度上受基因突變驅動腫瘤生長的觀點支配。儘管一些阻斷此類突變體活性的療法已經有效，但這種方法是否會轉化為廣泛的新療法尚不確定。簡而言之，即使在單個腫瘤中，也有太多的突變需要追逐和阻斷。
然而，癌症既是一種微環境紊亂的疾病，也是基因紊亂的結果。細胞形狀和細胞周圍環境的改變實際上先於腫瘤的發生，甚至可能引發疾病。例如，加州大學舊金山分校瓦萊麗·韋弗實驗室的工作表明，增加周圍細胞外基質的剛度促使非惡性細胞轉變為類似腫瘤的侵襲性生長程式。
在我們的實驗中，我們證明了強制的形狀變化轉化為 YAP/TAZ 的啟用和更惡性的行為。我的實驗室成員米開朗基羅·科爾德農西發現，當他人為地提高良性細胞中的 TAZ 時，這些細胞變得與癌症幹細胞無法區分。事實上，YAP/TAZ 在乳腺癌幹細胞中活躍，在那裡它們會增加惡性程度。腫瘤細胞並沒有發明任何新東西。相反，它們共同選擇了一種關鍵機制，組織透過這種機制控制其幹細胞的數量和分化。
由於這項工作，我們研究小組的研究人員正在追求一種關於癌症的非正統觀點。我們認為，惡性特性的最初獲得可能不一定涉及遺傳損傷的積累。相反，癌症可能是由身體正常微觀結構中的裂痕引起的。現在看來，腫瘤長期以來一直被稱為“永不癒合的傷口”，因為它們傾向於無休止地產生細胞，就好像需要它們來修復傷口一樣，這尤其恰當。
那麼，恢復環境可能是一種安慰，就像破壞環境是一種禍害一樣。當韋弗取出癌細胞，並透過切斷它們與細胞外基質的連線線來削弱它們異常的拉力時，它們的生長訊號減慢了，它們的增殖也減慢了。它們變成了看起來正常的組織。
因此，我和我的同事們都希望 YAP/TAZ 可能被證明是癌症的致命弱點。這對組合的過度啟用在大量腫瘤型別中很常見，抑制這種熱情可能有助於使腫瘤細胞行為正常化或阻止轉移。幾個研究小組已經在追求這種策略。
然而，我們和其他科學家都意識到癌症是一種複雜的疾病。事實上，不同的癌症可能具有不同的途徑，將外部力量與基因聯絡起來。許多最初在實驗室中看起來很有希望的治療方法對癌症患者幾乎沒有產生任何影響。對於任何未來的 YAP/TAZ 抑制劑，挑戰將是在靶向癌細胞的同時，保留正常的幹細胞。如果找不到直接抑制劑，能夠放鬆腫瘤中細胞骨架或細胞外基質的藥物可能會間接發揮作用。
古希臘哲學家亞里士多德認為形狀是所有生物實體的靈魂。細胞生物學家開始以更現代的意義看待形狀的深刻作用。形狀對生命施加著強大的影響：一方面，它影響著細胞如何構建和修復器官，另一方面，它可能會變得有害，破壞健康。隨著我們不斷改進對形狀力量的理解，我們或許能夠彎曲它來幫助人們。