En algoritme udviklet til at studere strukturen af ​​galakser hjælper med at forklare et nøgletræk ved embryonal udvikling

Efterhånden som embryoner udvikler sig, de følger forudbestemte mønstre for vævsfoldning, så individer af samme art ender med næsten identisk formede organer og meget ens kropsformer.

MIT-forskere har nu opdaget et nøgletræk ved embryonalt væv, der hjælper med at forklare, hvordan denne proces udføres så trofast hver gang. I en undersøgelse af frugtfluer, de fandt ud af, at reproducerbarheden af ​​vævsfoldning genereres af et netværk af proteiner, der forbindes som et fiskenet, skabe mange alternative veje, som væv kan bruge til at folde den rigtige vej.

"Det, vi fandt, er, at der er meget redundans i netværket, siger Adam Martin, en MIT-lektor i biologi og seniorforfatter af undersøgelsen. "Cellerne interagerer og forbinder med hinanden mekanisk, men du ser ikke individuelle celler påtage sig en altafgørende rolle. Det betyder, at hvis en celle bliver beskadiget, andre celler kan stadig forbindes til forskellige dele af vævet."

For at afdække disse netværksfunktioner, Martin arbejdede sammen med Jörn Dunkel, en MIT lektor i fysisk anvendt matematik og en forfatter til papiret, at anvende en algoritme, der normalt bruges af astronomer til at studere strukturen af ​​galakser.

Hannah Yevick, en MIT postdoc, er hovedforfatter af undersøgelsen, som vises i dag i Udviklingscelle . Kandidatstuderende Pearson Miller er også forfatter til papiret.

Et sikkerhedsnet

Under embryonal udvikling, væv ændrer deres form gennem en proces kendt som morfogenese. En vigtig måde, hvorpå væv ændrer form, er at folde, som gør det muligt for flade ark af embryonale celler at blive rør og andre vigtige former for organer og andre kropsdele. Tidligere undersøgelser af frugtfluer har vist, at selv når nogle af disse embryonale celler er beskadiget, ark kan stadig foldes i deres rigtige former.

"Dette er en proces, der er ret reproducerbar, og så vi ville vide, hvad der gør det så robust, " siger Martin.

I dette studie, forskerne fokuserede på gastrulationsprocessen, hvor embryonet reorganiseres fra en enkeltlagssfære til en mere kompleks struktur med flere lag. denne proces, og andre morfogenetiske processer, der ligner frugtfluevævsfoldning, forekommer også i menneskelige embryoner. De embryonale celler involveret i gastrulation indeholder i deres cytoplasma proteiner kaldet myosin og actin, som danner kabler og forbinder i forbindelsespunkter mellem celler for at danne et netværk på tværs af vævet. Martin og Yevick havde antaget, at netværket af celleforbindelser kunne spille en rolle i robustheden af ​​vævsfoldningen, men indtil nu, der var ingen god måde at spore netværkets forbindelser på.

For at opnå det, Martins laboratorium gik sammen med Dunkel, der studerer fysikken i bløde overflader og flydende stof - f.eks. rynkedannelse og mønstre af bakteriel streaming. Til denne undersøgelse, Dunkel havde ideen til at anvende en matematisk procedure, der kan identificere topologiske træk ved en tredimensionel struktur, analogt med højdedrag og dale i et landskab. Astronomer bruger denne algoritme til at identificere galakser, og i dette tilfælde, forskerne brugte det til at spore actomyosin-netværkene på tværs af og mellem cellerne i et ark væv.

"Når du har netværket, du kan anvende standardmetoder fra netværksanalyse - den samme type analyse, som du ville anvende på gader eller andre transportnetværk, eller blodcirkulationsnetværket, eller enhver anden form for netværk, " siger Dunkel.

Blandt andet, denne form for analyse kan afsløre netværkets struktur og hvor effektivt information flyder langs det. Et vigtigt spørgsmål er, hvor godt et netværk tilpasser sig, hvis en del af det bliver beskadiget eller blokeret. MIT-holdet fandt ud af, at actomyosin-netværket indeholder en stor mængde redundans - dvs. de fleste af netværkets "noder" er forbundet med mange andre noder.

Denne indbyggede redundans er analog med et godt offentligt transportsystem, hvor hvis en bus- eller toglinje går ned, du kan stadig nå din destination. Fordi celler kan generere mekanisk spænding langs mange forskellige veje, de kan foldes den rigtige vej, selvom mange af cellerne i netværket er beskadiget.

"Hvis du og jeg holder et enkelt reb, og så skærer vi det på midten, det ville gå fra hinanden. Men hvis du har et net, og skær det nogle steder, den forbliver stadig globalt forbundet og kan overføre kræfter, så længe du ikke skærer det hele, " siger Dunkel.

Folderamme

Forskerne fandt også ud af, at forbindelserne mellem celler fortrinsvis organiserer sig til at løbe i samme retning som furen, der dannes i de tidlige stadier af foldningen.

"Vi tror, ​​at dette er at sætte en ramme op, omkring hvilken vævet vil antage sin form, " siger Martin. "Hvis du forhindrer retningsbestemtheden af ​​forbindelserne, Så det, der sker, er, at du stadig kan folde, men det vil folde langs den forkerte akse."

Selvom denne undersøgelse blev udført i frugtfluer, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."