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生物学家揭开神经系统在再生中的新角色

2019-04-27 14:38:45 • 来源：

塔夫斯大学的生物学家已经开发了一种计算机(扁虫)再生的计算模型，该计算模型解释了平面的碎片如何确定哪一端应形成尾部以及哪一端应形成头部。开发开始回答再生研究中的一个重要问题 - 决定重建特定解剖结构的信号是什么?结合建模和实验，研究人员确定神经纤维的方向设定化学信号的重新分布，确定头到尾轴的方向。该模型还能够预测许多遗传，药理和手术操作的结果，例如具有两个头或两个尾巴的蠕虫。

生物学家揭开神经系统在再生中的新角色

发表在PLOS Computational Biology期刊上的结果超越了planaria，展示了生理和遗传信号的计算建模如何帮助理解和控制再生。神经方向性有助于指导器官水平结构的发现可以在生物医学环境中具有许多应用，例如哺乳动物的再生，先天缺陷，类器官的生物工程和癌症。

计算模型使用一种名为Planarian Interface for Modeling Body Organization(PLIMBO)的新型开源仿真平台，结合了许多推动再生的生物机制 - 一些先前发表的，以及其他在当前研究中发现的。该计算环境创建了在分子，细胞，组织和整个生物体水平发生的事件的真实定量模拟。该模型通过提供形态发生素的主动转运帮助确定神经元在再生中发挥的重要作用 - 这些分子有助于指导细胞生长和组织进入不同的组织和解剖结构。研究人员发现神经元在重建身体计划的极性(头到尾)中发挥了关键作用，

该模型基本上是一个涡虫体的二维图，其中重要的信号分子如Hh，NRF，ERK，Wnt，cAMP，beta-Cat，Ptc和APC各自遵循它们自己的生产，分配和运输规则。沿细胞路径，并相互作用。为了更好地理解再生过程，作者检查了切割图谱部分的计算结果，抑制了虚拟形态发生素的转运，和/或扰乱了特定形态发生素的产生。然后通过蠕虫中的物理切除实验检查这些干预的结果，并暴露于RNAi或药理学处理，这可以减少或增加特定形态发生素的生物学产生。

“该模型在预测蠕虫的实际生物学结果方面表现非常出色，”艺术与科学学院的Vannevar Bush生物学教授，塔夫茨艾伦探索中心主任Michael Levin博士说。“它使我们能够看到图案信息如何从细胞层渗透到生物体层面，以及特定细胞(如神经元)的方向性如何驱动下游生化梯度和器官测定。该模型使我们能够准确预测以前从未做过的新实验，揭示了神经方向性胜过(并重新设定)已有的生化梯度。“虽然几十年前已知神经元在某种程度上对再生能力很重要，但这是第一项研究，它揭示了神经方向性，特别指示随后重新分布决定主要身体轴的解剖极性的生物化学物质。这显示了有序模式如何在单细胞规模上出现并传播到组织和器官。

神经方向通过作为某些形态发生素的快速导管来指导再生中的极性。神经元在其中包含称为微管的“轨道”系统，以及沿着这些轨道传输分子的分子“引擎”。发动机包括动力蛋白和驱动蛋白，并且抑制这些分子中的任何一个都可以导致由模型预测的再生异常。正如模型所预测的那样，新的实验表明，碎片中预先存在的化学物质梯度并未设定头部和尾部轴的方向，而是由神经元纤维的方向性重写。

“PLIMBO允许我们以定量严格的方式检查再生，”主要作者Alexis Pietak说，他是设计该模型的生物物理学家，也是艾伦探索中心的成员。“我们可以通过模拟神经元和新型形态发生素的作用填补知识空白，看看它们是否能提高预测实验结果的能力。这不仅可以让我们更好地了解再生，组织和器官形成的过程，还可以了解在妊娠期间其他动物如何破坏身体模式，导致出生缺陷。“

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