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揭示出组织分枝模式的简约之美

更新时间:2017-09-19 22:44:03 | fx_fed08a5f

  在一项新的研究中,来自英国剑桥大学的研究人员针对一种困惑着生物学家数个世纪的难题---组织的复杂分枝模式(branching pattern)如何产生---提出一种非常简单的解决方案。相关研究结果将发表在Cell期刊上,论文标题为“A unifying theory of branching morphogenesis”。

  分枝模式存在于整个自然界,比如在树木、蕨类植物和珊瑚中,而且它们也在更精细的尺度上存在着,在那里,它们通过让可利用的表面面积最大化在确保有机体能够与环境高效地交换气体和液体中发挥至关重要的作用。

  比如,在小肠中,上皮组织以指状突起阵列的方式排列着。在肾脏、肺部、乳腺、胰腺和前列腺等其他器官中,交换表面被高效地包装在复杂的分枝上皮结构周围。

  论文通信作者、剑桥大学卡文迪什实验室研究员Ben Simons教授说,“在这种交换表面上,这些结构---可能含有30或40代分枝的结构---如何生长的问题似乎是相当复杂的。”

  几个世纪以来,这种经典的“分枝化形态发生(branching morphogenesis)”问题一直吸引着科学家们和数学家们。确实,形态发生---导致有机体产生它们的形状的生物学过程---的数学基础是剑桥大学出版本1917年出版的物理学家D'Arcy Wentworth Thompson撰写的经典文本《关于生长和形成(On Growth and Form)》的主题。

  在发育期间,分枝结构由促进导管生长和分裂的干细胞样细胞(stem-like cell)协调形成的。随后的每次分枝将会阻止生长,或者继续再次发生分枝。在今年早些时候发表在Nature期刊上的一项研究中,Simons教授与荷兰胡布勒支研究所(Hubrecht Institute)的Jacco van Rheenen博士一道证实了在乳腺中,这些分裂和终止过程随机地发生,并且具有几乎均等的概率(Nature, doi:10.1038/nature21046)。

  Simons教授说,“尽管存在一种涉及多种不同的干细胞类型的集体决策过程,但是我们发现生长几乎以均等的概率发生着,这提示着可能存在一种很简单的规则支撑着它。”

  Simons教授和他的同事Edouard Hannezo博士观察到分枝之间很少发生交叉:导管似乎在扩张占据空间,但是彼此之间未发生重叠。这导致他们推测这些导管在生长和分裂,但是一旦一个分枝的尖端触碰到另一个分枝,那么它就停止生长。

  Hannezo博士说,“以这种方式,可通过非常简单的局部指令,产生一种完美地填充空间的分枝网络,而且这种网络具有精确观察到的统计学结构:一个导管产生分枝,当遇到另一个正在成熟的导管时,它就停止生长。这对基础生物学产生巨大的影响。这表明复杂的分枝上皮结构是通过一种自组装过程产生的,而且依赖于一种相当简单的但又通用的规则,但并不依靠一系列严格的预先确定的基因编程事件。”

  尽管这些观察结果是基于乳腺上皮组织取得的,但是利用来自美国哥伦比亚大学的Rosemary Sampogna博士、剑桥大学的Anna Philpott教授和英国纽卡斯尔大学的Rakesh Heer博士的原始数据,这些研究人员能够证实这些规则也适用于小鼠肾脏、胰腺和人前列腺的胚胎发育。

  Simons教授说,“在乳腺中,存在着至少100个命运受限的干细胞样细胞参与这种分枝-生长-分枝过程,然而在胰腺中,仅有少数这样的干细胞样细胞参与其中,但是它们的基础动态变化是一样的。这种模型很美,这是因为这些规则非常简单,但是它们能够预测这些结构的复杂分枝模式。”

  这些研究人员说,他们的发现可能为乳腺癌和前列腺癌产生提供新的认识,这是因为这两种癌症的最早阶段经常表现出不规则的混乱的导管状结构。

  Simons教授补充道,“在《关于生长和形成》出版一个世纪后,观察到自组装概念如何继续为生物系统发育提供新的观点是激动人心的,这也针对在细胞水平和分子水平上运作的调节机制提出新的问题。”

  虽然判断类似的规则是否适用于其他的分枝组织和有机体还为时过早,但是存在一些有趣的相似之处:比如,树木上的分枝似乎遵循类似的模式,会发生侧枝生长和分叉,直到它们被另一个侧枝遮蔽时,它们才停止生长。

  英国惠康基金会的Sheny Chen博士说,“这是一项完美的研究,有助我们理解在至关重要的发育过程期间,是什么指导着我们的细胞作出决策。有趣的是,这些简单的规则能够控制着这些高度复杂的模式产生,而且这些规则能够适用于不同的分枝结构。”