科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了胚胎組織的一個關(guān)鍵特征，它有助于解釋每次如此忠實(shí)地執(zhí)行這一過程的過程。在對果蠅的研究中，他們發(fā)現(xiàn)組織折疊的再現(xiàn)性是由像漁網(wǎng)連接的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的，創(chuàng)造了許多組織可以用來折疊正確方式的替代途徑。隨著胚胎發(fā)育，它們遵循預(yù)定的組織折疊模式，使得相同物種的個體最終具有幾乎相同形狀的器官和非常相似的體形。

麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了胚胎組織的一個關(guān)鍵特征，它有助于解釋每次如何忠實(shí)地執(zhí)行這一過程。在對果蠅的研究中，他們發(fā)現(xiàn)組織折疊的再現(xiàn)性是由像漁網(wǎng)連接的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的，創(chuàng)造了許多組織可以用來折疊正確方式的替代途徑。

“我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余，”麻省理工學(xué)院生物學(xué)副教授，該研究的高級作者亞當(dāng)馬丁說。“細(xì)胞相互作用并相互連接，但你沒有看到單個細(xì)胞發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這意味著如果一個細(xì)胞受損，其他細(xì)胞仍可以連接到組織的不同部位。”

為了揭示這些網(wǎng)絡(luò)特征，馬丁與麻省理工學(xué)院物理應(yīng)用數(shù)學(xué)副教授約翰·鄧克爾(JörnDunkel)合作，應(yīng)用了天文學(xué)家通常用于研究星系結(jié)構(gòu)的算法。

麻省理工學(xué)院博士后Hannah Yevick是該研究的主要作者，該研究今天發(fā)表在Developmental Cell上。研究生Pearson Miller也是該論文的作者。

安全網(wǎng)

在胚胎發(fā)育過程中，組織通過稱為形態(tài)發(fā)生的過程改變其形狀。組織改變形狀的一個重要方式是折疊，這允許平板胚胎細(xì)胞成為管和其他重要形狀的器官和其他身體部位。之前在果蠅中的研究表明，即使這些胚胎細(xì)胞中的一些受損，片材仍然可以折疊成正確的形狀。

“這是一個相當(dāng)可重復(fù)的過程，所以我們想知道是什么讓它如此強(qiáng)大，”馬丁說。

在這項(xiàng)研究中，研究人員專注于原腸胚形成過程，在此過程中，胚胎從單層球體重組為具有多層的更復(fù)雜結(jié)構(gòu)。這個過程以及類似于果蠅組織折疊的其他形態(tài)發(fā)生過程也發(fā)生在人類胚胎中。參與原腸胚形成的胚胎細(xì)胞在其細(xì)胞質(zhì)中含有稱為肌球蛋白和肌動蛋白的蛋白質(zhì)，其形成電纜并連接在細(xì)胞之間的連接處以形成穿過組織的網(wǎng)絡(luò)。Martin和Yevick假設(shè)細(xì)胞連接網(wǎng)絡(luò)可能在組織折疊的穩(wěn)健性中起作用，但直到現(xiàn)在，還沒有很好的方法來跟蹤網(wǎng)絡(luò)的連接。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Martin的實(shí)驗(yàn)室與Dunkel聯(lián)手，Dunkel研究軟表面和流動物質(zhì)的物理學(xué) - 例如，皺紋形成和細(xì)菌流動模式。在這項(xiàng)研究中，Dunkel有想法應(yīng)用一種數(shù)學(xué)程序，可以識別三維結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣?，類似于景觀中的山脊和山谷。天文學(xué)家使用這種算法來識別星系，在這種情況下，研究人員用它來追蹤一張組織中細(xì)胞之間和之間的肌動球蛋白網(wǎng)絡(luò)。

“一旦擁有了網(wǎng)絡(luò)，就可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法 - 與街道或其他傳輸網(wǎng)絡(luò)，血液循環(huán)網(wǎng)絡(luò)或任何其他形式的網(wǎng)絡(luò)相同的分析方法，”Dunkel說。

除此之外，這種分析可以揭示網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及信息如何有效地沿著網(wǎng)絡(luò)流動。一個重要的問題是，如果網(wǎng)絡(luò)的一部分受到損壞或阻塞，網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性如何。麻省理工學(xué)院的研究小組發(fā)現(xiàn)，肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)包含大量冗余 - 也就是說，網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)“節(jié)點(diǎn)”都連接到許多其他節(jié)點(diǎn)。

這種內(nèi)置冗余類似于良好的公共交通系統(tǒng)，如果一條公交車或火車線路發(fā)生故障，您仍然可以到達(dá)目的地。由于細(xì)胞可以沿著許多不同的途徑產(chǎn)生機(jī)械張力，即使網(wǎng)絡(luò)中的許多細(xì)胞受損，它們也可以正確折疊。

“如果你和我拿著一根繩子，然后我們將它在中間切開，它會分開。但是如果你有一個網(wǎng)，并在某些地方切斷它，它仍然保持全球連接并且可以傳遞力量，如同只要你不削減所有這些，“鄧克爾說。

折疊框架

研究人員還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞之間的聯(lián)系優(yōu)先組織起來，以與折疊早期階段形成的溝槽相同的方向運(yùn)行。

“我們認(rèn)為這是建立一個框架，組織將采取其形狀，”馬丁說。“如果你阻止連接的方向性，那么會發(fā)生什么，你仍然可以折疊，但它會沿著錯誤的軸折疊。”

盡管這項(xiàng)研究是在果蠅中進(jìn)行的，但在神經(jīng)管形成期間，脊椎動物(包括人類)也會發(fā)生類似的折疊，神經(jīng)管是大腦和脊髓的前兆。馬丁現(xiàn)在計(jì)劃應(yīng)用他在果蠅中使用的技術(shù)，看看是否在小鼠的神經(jīng)管中以相同的方式組織了肌動蛋白網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)管閉合的缺陷可導(dǎo)致出生缺陷，如脊柱裂。

“我們想了解它是怎么出錯的，”馬丁說。“目前尚不清楚是否存在管道密封問題或折疊過程是否存在缺陷。”

該研究由國家普通醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所和詹姆斯·麥克唐納基金會資助