自然:揭示生物体的器官如何知道停止生长

来源：原创网站2022-01-05 13:02

作为世界上最小的鱼，袖珍鲤鱼只有7毫米大。与鲸鲨9米的体型相比，这算不了什么。这种小鱼与鲨鱼有许多相同的基因和解剖结构，但背鳍和尾鳍、鳃、胃和心脏要小几千倍！这种小鱼的器官和组织是如何形成的？与鲨鱼不同，它们的器官和组织是如何快速停止生长的？在芮的一项新研究中

2022年1月5日/Bion/-作为世界上最小的鱼，袖珍鲤鱼(Paedocypris)只有7毫米大。与鲸鲨9米的体型相比，这算不了什么。这种小鱼与鲨鱼有许多相同的基因和解剖结构，但背鳍和尾鳍、鳃、胃和心脏要小几千倍！这种小鱼的器官和组织是如何形成的？与鲨鱼不同，它们的器官和组织是如何快速停止生长的？

在一项新的研究中，来自瑞士日内瓦大学(UNIGE)和德国马克斯普朗克复杂系统物理研究所(MPIPKS)的研究人员用数学方程从物理角度回答了这个基本问题。相关研究成果于2021年12月22日在线发表在《自然》杂志上，标题为“通过回收内在DPP实现Morphegen梯度缩放”。

发育组织的细胞在信号分子-形态发生素的作用下增殖和聚集。但是他们怎么知道什么尺寸适合他们所属的有机体呢？UNIGE科学学院生物化学系教授Marcos Gonzalez-Gaitan和MPIPKS主任Frank Jlicher通过追踪不同大小的果蝇组织细胞中的一种特定形态原，解决了这个难题。

在果蝇中，形态原十足原(DPP，转化生长因子的果蝇同源物)，即形成十五个附属物(翅膀、触角、下颚)所需的分子..............在之前的研究中，Gonzalez-Gaitan团队与Jlicher团队合作，发现DPP的这些浓度梯度在更大或更小的区域内延伸，这取决于发育组织的大小。因此，组织越小，DPP梯度从其扩散源的扩散就越小。另一方面，一种组织越大，形态原的DPP梯度扩散越大。然而，问题是如何使这种浓度梯度适应组织/器官的未来生长规模。

用多学科方法解决生物问题

冈萨雷斯-盖坦评论说：“我的团队由生物学家、生物化学家、数学家和物理学家组成。最初的方法是分析每个细胞水平上发生的事情，而不是把我们的观察放在组织的尺度上。” licher说：“研究的中心思想是把生物当作物质来研究，也就是用物理原理来研究生物。”

这两个团队开发了一系列复杂的工具，通过使用定量显微镜技术，非常精确地跟踪组织细胞内和细胞间的DPP分子的命运。本文第一作者、UNIGE生物化学系高级研究员Maria Romanova Michailidi解释说：“这些工具使我们能够为这种形态发生蛋白定义与细胞过程相关的各种参数。例如，在扩散回其他细胞之前，我们测量了它与细胞结合、渗透到细胞中、被细胞降解或回收的效率。简而言之，我们衡量了民进党所有重要的运输步骤。”

用数学方程解释尺寸缩放机理

这两个团队收集了正常果蝇和突变果蝇不同大小组织细胞的所有DPP数据。他们发现正是这些不同的单独运输步骤决定了梯度的范围。因此，在小组织中，DPP分子主要通过细胞间扩散进行传播。因此，由于降解，其浓度在其来源周围下降得相当快，导致狭窄的梯度。另一方面，在更大的组织中，进入细胞的DPP分子也高度循环利用，因此有可能将梯度扩大到更大的区域。Michailidi高兴地说：“我们终于能够提出一个不偏不倚的统一的整形元素输运理论，深入系统的关键方程，最终揭示梯度的标度机制！”

从果蝇的DPP分子研究建立的理论和物理的结合，可以扩展到其他参与各种发育组织形成的分子。Gonzalez-Gaitan总结道，“我们独特的多学科方法使我们能够为一个基本的生物学问题提供一个普遍的答案：亚里士多德在将近2500年前问自己：鸡蛋如何知道何时停止生长以形成鸡？”(100yiyao.com 100医疗网)

参考文献：

Maria Romanova Michailidi等人。Nature，2021，doi :10.1038/s 41586-021-04346-w。

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