生物学家和数学家一起探索组织折叠

科学家们现在已经发现了胚胎组织的一个关键特征，它有助于解释每次如此忠实地执行这一过程的过程。在对果蝇的研究中，他们发现组织折叠的再现性是由像渔网连接的蛋白质网络产生的，创造了许多组织可以用来折叠正确方式的替代途径。随着胚胎发育，它们遵循预定的组织折叠模式，使得相同物种的个体最终具有几乎相同形状的器官和非常相似的体形。

麻省理工学院的科学家们现在发现了胚胎组织的一个关键特征，它有助于解释每次如何忠实地执行这一过程。在对果蝇的研究中，他们发现组织折叠的再现性是由像渔网连接的蛋白质网络产生的，创造了许多组织可以用来折叠正确方式的替代途径。

“我们发现网络中存在大量冗余，”麻省理工学院生物学副教授，该研究的高级作者亚当马丁说。“细胞相互作用并相互连接，但你没有看到单个细胞发挥着至关重要的作用。这意味着如果一个细胞受损，其他细胞仍可以连接到组织的不同部位。”

为了揭示这些网络特征，马丁与麻省理工学院物理应用数学副教授约翰·邓克尔(JörnDunkel)合作，应用了天文学家通常用于研究星系结构的算法。

麻省理工学院博士后Hannah Yevick是该研究的主要作者，该研究今天发表在Developmental Cell上。研究生Pearson Miller也是该论文的作者。

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在胚胎发育过程中，组织通过称为形态发生的过程改变其形状。组织改变形状的一个重要方式是折叠，这允许平板胚胎细胞成为管和其他重要形状的器官和其他身体部位。之前在果蝇中的研究表明，即使这些胚胎细胞中的一些受损，片材仍然可以折叠成正确的形状。

“这是一个相当可重复的过程，所以我们想知道是什么让它如此强大，”马丁说。

在这项研究中，研究人员专注于原肠胚形成过程，在此过程中，胚胎从单层球体重组为具有多层的更复杂结构。这个过程以及类似于果蝇组织折叠的其他形态发生过程也发生在人类胚胎中。参与原肠胚形成的胚胎细胞在其细胞质中含有称为肌球蛋白和肌动蛋白的蛋白质，其形成电缆并连接在细胞之间的连接处以形成穿过组织的网络。Martin和Yevick假设细胞连接网络可能在组织折叠的稳健性中起作用，但直到现在，还没有很好的方法来跟踪网络的连接。

为了实现这一目标，Martin的实验室与Dunkel联手，Dunkel研究软表面和流动物质的物理学 - 例如，皱纹形成和细菌流动模式。在这项研究中，Dunkel有想法应用一种数学程序，可以识别三维结构的拓扑特征，类似于景观中的山脊和山谷。天文学家使用这种算法来识别星系，在这种情况下，研究人员用它来追踪一张组织中细胞之间和之间的肌动球蛋白网络。

“一旦拥有了网络，就可以应用网络分析的标准方法 - 与街道或其他传输网络，血液循环网络或任何其他形式的网络相同的分析方法，”Dunkel说。

除此之外，这种分析可以揭示网络的结构以及信息如何有效地沿着网络流动。一个重要的问题是，如果网络的一部分受到损坏或阻塞，网络的适应性如何。麻省理工学院的研究小组发现，肌动蛋白网络包含大量冗余 - 也就是说，网络的大多数“节点”都连接到许多其他节点。

这种内置冗余类似于良好的公共交通系统，如果一条公交车或火车线路发生故障，您仍然可以到达目的地。由于细胞可以沿着许多不同的途径产生机械张力，即使网络中的许多细胞受损，它们也可以正确折叠。

“如果你和我拿着一根绳子，然后我们将它在中间切开，它会分开。但是如果你有一个网，并在某些地方切断它，它仍然保持全球连接并且可以传递力量，如同只要你不削减所有这些，“邓克尔说。

折叠框架

研究人员还发现，细胞之间的联系优先组织起来，以与折叠早期阶段形成的沟槽相同的方向运行。

“我们认为这是建立一个框架，组织将采取其形状，”马丁说。“如果你阻止连接的方向性，那么会发生什么，你仍然可以折叠，但它会沿着错误的轴折叠。”

尽管这项研究是在果蝇中进行的，但在神经管形成期间，脊椎动物(包括人类)也会发生类似的折叠，神经管是大脑和脊髓的前兆。马丁现在计划应用他在果蝇中使用的技术，看看是否在小鼠的神经管中以相同的方式组织了肌动蛋白网络。神经管闭合的缺陷可导致出生缺陷，如脊柱裂。

“我们想了解它是怎么出错的，”马丁说。“目前尚不清楚是否存在管道密封问题或折叠过程是否存在缺陷。”

该研究由国家普通医学科学研究所和詹姆斯·麦克唐纳基金会资助

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