Cell:揭示出安排分枝形式的精约之美

Cell:揭示出安排分枝形式的精约之美

发布日期:2017-09-25 作者: 点击:

2017年9月19日/生物谷BIOON/---在一项新的研讨中,来自英国剑桥大学的研讨人员针对一种困惑着生物学家数个世纪的难题---安排的杂乱分枝形式(branching pattern)怎么发作---提出一种十分简略的解决方案。相关研讨结果将宣布在Cell期刊上,论文标题为“A unifying theory of branching morphogenesis”。

分枝形式存在于整个自然界,比方在树木、蕨类植物和珊瑚中,并且它们也在更精密的尺度上存在着,在那里,它们经过让可使用的外外表积最大化在保证有机体可以与环境高效地交流气体和液体中发挥至关重要的效果。

比方,在小肠中,上皮安排以指状突起阵列的方法摆放着。在肾脏、肺部、乳腺、胰腺和前列腺等其他器官中,交流外表被高效地包装在杂乱的分枝上皮结构周围。

论文通讯作者、剑桥大学卡文迪什实验室研讨员Ben Simons教授说,“在这种交流外表上,这些结构---可能含有30或40代分枝的结构---怎么成长的问题好像是适当杂乱的。”

几个世纪以来,这种经典的“分枝化形状发作(branching morphogenesis)”问题一向吸引着科学家们和数学家们。的确,形状发作---导致有机体发作它们的形状的生物学进程---的数学基础是剑桥大学出书别1917年出书的物理学家D'Arcy Wentworth Thompson编撰的经典文本《关于成长和构成(On Growth and Form)》的主题。

在发育期间,分枝结构由促进导管成长和割裂的干细胞样细胞(stem-like cell)和谐构成的。随后的每次分枝将会阻挠成长,或许持续再次发作分枝。在本年早些时候宣布在Nature期刊上的一项研讨中,Simons教授与荷兰胡布勒支研讨所(Hubrecht Institute)的Jacco van Rheenen博士一道证明了在乳腺中,这些割裂和终止进程随机地发作,并且具有简直平等的概率(Nature, doi:10.1038/nature21046)。

Simons教授说,“尽管存在一种触及多种不同的干细胞类型的团体决议计划进程,可是我们发现成长简直以平等的概率发作着,这提示着可能存在一种很简略的规矩支撑着它。”

Simons教授和他的搭档Edouard Hannezo博士调查到分枝之间很少发作交叉:导管好像在扩张占有空间,可是彼此之间未发作堆叠。这导致他们估测这些导管在成长和割裂,可是一旦一个分枝的顶级触碰到另一个分枝,那么它就中止成长。

Hannezo博士说,“以这种方法,可经过十分简略的部分指令,发作一种完美地填充空间的分枝网络,并且这种网络具有准确调查到的统计学结构:一个导管发作分枝,当遇到另一个正在老练的导管时,它就中止成长。这对基础生物学发作巨大的影响。这表明杂乱的分枝上皮结构是经过一种自拼装进程发作的,并且依赖于一种适当简略的但又通用的规矩,但并不依托一系列严厉的预先确定的基因编程事情。”

尽管这些调查结果是基于乳腺上皮安排获得的,可是使用来自美国哥伦比亚大学的Rosemary Sampogna博士、剑桥大学的Anna Philpott教授和英国纽卡斯尔大学的Rakesh Heer博士的原始数据,这些研讨人员可以证明这些规矩也适用于小鼠肾脏、胰腺和人前列腺的胚胎发育。

Simons教授说,“在乳腺中,存在着至少100个命运受限的干细胞样细胞参加这种分枝-成长-分枝进程,然而在胰腺中,仅有少量这样的干细胞样细胞参加其间,可是它们的基础动态变化是一样的。这种模型很美,这是由于这些规矩十分简略,可是它们可以猜测这些结构的杂乱分枝形式。”

这些研讨人员说,他们的发现可能为乳腺癌和前列腺癌发作提供新的认识,这是由于这两种癌症的最早阶段常常表现出不规矩的紊乱的导管状结构。

Simons教授弥补道,“在《关于成长和构成》出书一个世纪后,调查到自拼装概念怎么持续为生物系统发育提供新的观念是激动人心的,这也针对在细胞水平缓分子水平上运作的调节机制提出新的问题。”

尽管判别相似的规矩是否适用于其他的分枝安排和有机体还为时过早,可是存在一些风趣的相似之处:比方,树木上的分枝好像遵从相似的形式,会发作侧枝成长和分叉,直到它们被另一个侧枝遮盖时,它们才中止成长。

英国惠康基金会的Sheny Chen博士说,“这是一项完美的研讨,有助我们了解在至关重要的发育进程期间,是什么辅导着我们的细胞作出决议计划。风趣的是,这些简略的规矩可以控制着这些高度杂乱的形式发作,并且这些规矩可以适用于不同的分枝结构。”(生物谷 Bioon.com)

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