Hvordan indviklede mønstre opstår i væv under udvikling

Tidlig udvikling er som en omhyggeligt koreograferet dans, med ensartede dele af celler, der arrangerer sig selv i detaljerede mønstre - et første skridt mod dannelsen af ​​funktionelle organer. Et fladt lag af hudceller skal for eksempel overgå til et lag besat med pæne rækker af hårceller og svedkirtler.

En ny undersøgelse fra Laboratory of Morphogenesis ved Rockefeller University, ledet af Amy Shyer og Alan Rodrigues, afslører, at udviklingsmønstre kan opstå spontant fra fysiske interaktioner mellem cellekollektiver og den matrix, der omgiver dem. Sådanne interaktioner genererer væskelignende egenskaber, der muliggør mønsterdannelse analogt med, hvordan en film af vand på forruden trækker sig tilbage til dråber.

Ved at bruge kyllingeskind som et modelsystem fandt forskerne ud af, at mekaniske kræfter mellem celler bryder symmetrien af ​​vævet og skubber cellerne til at samle sig i periodiske bundter, der senere vil vokse fjer i hele hudvævet. Disse strukturelle ændringer udløser sekundære gen-ekspressionsændringer, der fører til klassisk molekylær signalering, der skubber udviklingen videre.

Resultaterne, offentliggjort i Cell , give en bedre forståelse af de fysiske faktorer, der er involveret i udformningen af ​​organer.

"Organudvikling involverer et kontinuerligt samarbejde mellem mekaniske og molekylære processer," siger adjunkt Amy Shyer. "At forstå den præcise rækkefølge af trinene i denne feedback-loop kan hjælpe os med at reparere væv eller studere tumordannelse fra nye vinkler."

Stigende strukturer

Når nye organer dukker op ud af homogent embryonalt væv, ser de ud til at tage den optimale struktur ud af mange muligheder. "En af de mystiske ting ved disse strukturer er, at de har et perfekt mønster indbygget i dem, som virkelig maksimerer effektiviteten af ​​deres funktion," siger Shyer.

Historisk set fik generne meget af æren for denne præstation af biologisk ingeniørkunst. Det er vores gener, gik tankerne, der giver en molekylær plan, som bestemmer, hvordan celler specialiserer sig i organspecifikke komponenter, og hvordan de omorganiserer sig selv for at give anledning til indviklede strukturer. Men nogle videnskabsmænd har fundet grunde til at sætte spørgsmålstegn ved den teori. For eksempel dannes nogle strukturer i så stor skala, at det er svært at forklare, hvordan molekylære signaler overvåger mønsterdannelsen over så lang en rækkevidde, hvilket antyder, at andre mekanismer må være på spil.

Med et alternativt perspektiv fokuserer Shyer og Rodrigues på den kollektive cellemekaniks rolle i morfogenesen. Deres tidligere arbejde har vist, at morfologiske ændringer i fugles hud opstår, før generne, der er involveret i follikeldannelse, kommer til udtryk. "Så det er ikke nødvendigvis generne, der starter de første morfologiske ændringer," siger Rodrigues. "I stedet fandt vi ud af, at cellerne selv organiserer sig for at initiere follikler. Samtidig kendte vi ikke den præcise mekanisme, der muliggør denne selvorganisering."

Kollektiv justering

I den nye undersøgelse satte Shyer og Rodrigues' team sig for at se nærmere på, hvad der præcist driver vævet til at ændre sig. For at zoome ind på de øjeblikke, der førte op til mønsterdannelse, brugte forskerne primære hudceller, frisk taget fra kyllingeembryoner, og tilføjede kollagen, en essentiel komponent, der giver struktur til huden. Bare disse to ingredienser var nok til, at hele processen kunne udfolde sig i en laboratoriefad. Dette system gjorde det muligt for forskerne at rekonstruere naturlig hududvikling og samtidig eliminere potentielle molekylære signaler fra nabovæv.

Karl Palmquist, hovedforfatter af undersøgelsen, så processen med celleaggregering billede for billede, og fandt ud af, at de kontraktile hudceller begyndte at binde sig til det mesh-lignende, kollagenbaserede substrat, der omgiver dem, og trække i det. Derefter lavede han en central observation:Trækkraften i mange celler justerer matrixen til en meget ordnet struktur, der modstår trækket. Cellerne, der mærker den øgede spænding, trækker sig mere og mere sammen og øger deres træk. Til sidst genererer gensidige kræfter mellem cellerne og den ekstracellulære matrix kollektiv justering af celler, der gør det muligt for cellefeltet at transformere sig til et ordnet mønster af follikellignende aggregater.

Sammen med Anna Erzberger, en seniorforfatter, som var tidligere postdoc i laboratoriet hos James A. Hudspeth og i øjeblikket er gruppeleder ved European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg, Tyskland, udviklede holdet en teoretisk model for udvikling af hud baseret på væskers fysiske egenskaber. Denne model forudsagde nøjagtigt den spontane dannelse af regulære multicellulære aggregater.

Holdet planlægger at undersøge, hvordan lignende multicellulær mekanik kan være integreret i at strukturere andre væv i kroppen i udvikling og sygdom.