Алгоритм, Разработанный Для Изучения Структуры Галактик, Помогает Объяснить Ключевую Особенность Эмбрионального Развития.

Алгоритм, Разработанный Для Изучения Структуры Галактик, Помогает Объяснить Ключевую Особенность Эмбрионального Развития.

По мере развития эмбрионов они следуют заранее определенным схемам складывания тканей, так что у особей одного и того же вида появляются почти идентичные по форме органы и очень похожие формы тела. googletag.cmd.push (function () {googletag.display ('div-gpt-ad-1449240174198-2');});

Ученые из Массачусетского технологического института обнаружили ключевую особенность эмбриональной ткани, которая помогает объяснить, как этот процесс выполняется так точно каждый раз. В исследовании плодовых мух они обнаружили, что воспроизводимость складывания тканей создается сетью белков, которые соединяются как рыболовная сеть, создавая множество альтернативных путей, которые ткани могут использовать для правильного складывания.

«Мы обнаружили, что в сети много избыточности», - говорит Адам Мартин, адъюнкт-профессор биологии Массачусетского технологического института и старший автор исследования.«Клетки механически взаимодействуют и соединяются друг с другом, но вы не видите, чтобы отдельные клетки играли важнейшую роль. Это означает, что если одна клетка повреждена, другие клетки все равно могут соединиться с разрозненными частями ткани».

Чтобы раскрыть эти особенности сети, Мартин работал с Йорном Дункелем, доцентом физической прикладной математики MIT и автором статьи, чтобы применить алгоритм, обычно используемый астрономами для изучения структуры галактик.

Ханна Йевик, постдок MIT, является ведущим автором исследования, которое сегодня выходит в Developmental Cell. Аспирант Пирсон Миллер также является автором статьи.

Сеть безопасности

Во время эмбрионального развития ткани меняют свою форму в процессе, известном как морфогенез. Одним из важных способов изменения формы тканей является складывание, которое позволяет плоским листам эмбриональных клеток превращаться в трубки и другие важные формы для органов и других частей тела. Предыдущие исследования на плодовых мушках показали, что даже когда некоторые из этих эмбриональных клеток повреждены, листы могут все еще иметь правильную форму.

«Это довольно воспроизводимый процесс, поэтому мы хотели узнать, что делает его таким надежным», - говорит Мартин.

В этом исследовании исследователи сосредоточились на процессе гаструляции, во время которого зародыш реорганизуется из однослойной сферы в более сложную структуру с несколькими слоями. Этот процесс и другие морфогенетические процессы, сходные со складыванием тканей плодовой мухи, также происходят у эмбрионов человека. Эмбриональные клетки, участвующие в гаструляции, содержат в своей цитоплазме белки, называемые миозином и актином, которые образуют кабели и соединяются на стыках между клетками, образуя сеть через ткани. Мартин и Йевик выдвинули гипотезу о том, что сеть связи между сотами может играть роль в устойчивости свертывания тканей, но до сих пор не было никакого хорошего способа отследить соединения сети.

Для этого лаборатория Мартина объединила усилия с Дункелем, который изучает физику мягких поверхностей и текучих веществ, например, образование морщин и паттерны бактериального течения.Для этого исследования у Данкеля была идея применить математическую процедуру, которая может идентифицировать топологические особенности трехмерной структуры, аналогичные гребням и долинам ландшафта. Астрономы используют этот алгоритм для идентификации галактик, и в этом случае исследователи использовали его для отслеживания сетей актомиозина между клетками на листе ткани и между ними.

"Получив сеть, вы можете применять стандартные методы сетевого анализа - такой же анализ, который вы применили бы к улицам или другим транспортным сетям, сети кровообращения или любой другой форме сети, "Данкель говорит.

Помимо прочего, этот вид анализа может выявить структуру сети и то, насколько эффективно потоки информации по ней. Один важный вопрос - насколько хорошо сеть адаптируется, если ее часть повреждена или заблокирована. Команда MIT обнаружила, что сеть актомиозина содержит большую избыточность, то есть большинство «узлов» сети подключено ко многим другим узлам.

Эта встроенная избыточность аналогична хорошей системе общественного транспорта, где, если один автобус или поезд останавливается, вы все равно можете добраться до пункта назначения. Поскольку клетки могут генерировать механическое напряжение по многим различным путям, они могут правильно складываться, даже если многие ячейки в сети повреждены.

"Если мы с тобой держим одну веревку, а затем разрезаем ее посередине, она развалится. Но если у тебя есть сеть, и в некоторых местах ее разрезаешь, она все еще остается подключенной к глобальному и может передавать силы, пока вы не отрежете все это », - говорит Данкель.

Каркас складывания

Исследователи также обнаружили, что связи между ячейками преимущественно организуются так, чтобы проходить в том же направлении, что и борозда, которая образуется на ранних стадиях складывания.

«Мы думаем, что это создает структуру, вокруг которой ткань примет свою форму», - говорит Мартин. «Если вы предотвратите направленность соединений, то получится, что вы все еще можете сложить, но оно будет складываться по неправильной оси."

Хотя это исследование было проведено на плодовых мушках, подобное складывание происходит у позвоночных (включая людей) во время формирования нервной трубки, которая является предшественником головного и спинного мозга. Мартин теперь планирует применить методы он использовал плодовых мух, чтобы увидеть, организована ли сеть актомиозина таким же образом в нервной трубке мышей. Дефекты закрытия нервной трубки могут привести к врожденным дефектам, таким как расщелина позвоночника.

«Нам бы хотелось чтобы понять, как все идет не так, - говорит Мартин. - До сих пор неясно, является ли проблематичным уплотнение трубки или имеются ли дефекты в процессе сгибания. "

.