細胞動力學讀書會丨第十期：理性合成哺乳動物發育 - 從對稱性破缺到圖靈斑圖及其他

導語

發育是生命世界中最有趣、最復雜的現象之一。本期讀書會為細胞動力學讀書會第十期，哈佛醫學院與丹娜法伯癌癥研究院生物物理學家關國業博士將在本期以小鼠和人類細胞為例，系統介紹自組織發育斑圖的合成與調控機制；進一步探討如何借助融合分子與細胞相互作用的生物物理模型，實現對發育過程的理性解析與預測，為定向誘導與制造組織器官提供理論指導。

集智俱樂部聯合北京師范大學大學教授李輝，中科院理論物理學所副研究員王維康、西湖大學生命科學學院博士后韋曉慧以及燭龍（上海）生物醫藥科技有限公司王艷博士共同發起「」，嘗試從單細胞數據中重構細胞的動力學，以揭示細胞狀態轉化的普遍特性和機制；通過分享經典文獻與最新研究進展，希望在數據、模型和生物過程間，建立起一種可以反復檢驗、不斷驗證的動態關系。

報告簡介

發育是生命世界中最有趣、最復雜的現象之一：一個單細胞的受精卵，能夠通過精確協調的分裂、分化、形變、運動等過程，構建出具備完整功能的個體。傳統研究多依賴線蟲、果蠅、青蛙和斑馬魚等模式生物，而近年來的研究發現，哺乳動物細胞具有非常強大的自組織能力，既能自發形成有序的空間斑圖，又可通過工程化實現可編程設計。這使其成為干細胞與再生醫學研究的重要前沿。

本報告將以小鼠和人類細胞為例，系統介紹自組織發育斑圖的合成與調控機制，包括圖靈斑圖（條紋與散點結構，對應指紋與毛囊）以及對稱性破缺（不對稱結構，對應內外、頭尾、左右與腹背體軸）等。此外，我們將進一步探討如何借助融合分子與細胞相互作用的生物物理模型，實現對發育過程的理性解析與預測，為定向誘導與制造組織器官提供理論指導。

分享大綱

1.哺乳動物發育斑圖的特殊性

2.自然發育與合成發育

3.基于人類細胞的自發對稱性破缺合成

4.基于小鼠細胞的自發圖靈斑圖合成

核心概念

基因/信號調控網絡，合成發育學，自組織斑圖，類胚胎與類器官，生物物理建模

主講人介紹

主講人：關國業，博士畢業于北京大學，師從湯超院士、湯雷翰教授，目前為哈佛大學（哈佛醫學院與丹娜法伯癌癥研究院）的生物物理學家和系統生物學家，致力于研究多細胞系統動力學。他的研究結合理論模型與實驗數據，聚焦人類、小鼠和線蟲等體系中的胚胎發育、合成斑圖及微生物群落。作為（共同）第一作者，他在以下方向取得了代表性成果：多維發育圖譜構建 [Nat. Commun. 2020; Nat. Commun. 2025; Commun. Biol. 2025]、細胞極化與分裂 [Phys. Rev. E 2021; eLife, 2024]、細胞力學 [PLoS Comput. Biol. 2022; Commun. Nonlinear Si. Numer. Simul. 2023]。此外，他還擁有11項有效的專利與軟件著作權。

參考文獻

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2. Toda, S. et al. Programming self-organizing multicellular structures with synthetic cell-cell signaling. Science361, 156-162 (2018). https://doi.org/10.1126/science.aat0271

3. Moris, N. et al. An in vitro model of early anteroposterior organization during human development. Nature582, 410–415 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2383-9

4. Beccari, L. et al. Multi-axial self-organization properties of mouse embryonic stem cells into gastruloids. Nature562, 272–276 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0578-0

5. Guan, G. et al. Cooperative short- and long-range interactions enable robust symmetry breaking and axis formation. bioRxiv, 678924 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2383-9

時間信息

2026年4月17日（周五）晚19:30-21:30,騰訊會議線上進行,微信視頻號+集智俱樂部B站號同步直播, 感興趣的朋友掃碼報名加入細胞動力學讀書會后，可進入學員群進行交流。

直播信息

報名讀書會：

「細胞動力學:基因網絡、群細胞、組織形態與發育」

由李輝、王維康、韋曉慧三位學者及王艷博士共同發起，并沿兩條主線展開：一是探討細胞命運、多穩態等理論核心；二是結合單細胞測序、時序推斷等方法，學習如何將靜態數據轉化為動態模型。

中將融合物理學、復雜科學與系統生物學，從Waddington景觀、自組織臨界，到反應-擴散模型與類器官實驗，繪制一幅理解細胞命運與群體動力學的連貫地圖。

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