닭을 개구리, 물고기, 카멜레온으로 바꿀 수 있나요?

Gastrulation은 초기 배아 발달에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 원배형성 전의 척추동물 배아는 단순한 2차원 세포 시트입니다. 낭배형성이 끝날 무렵, 배아는 별개의 세포 유형을 분화하기 시작하고 신체의 기본 축을 설정하며 3차원 구조에서 장기의 전구체 중 일부를 내부화하기 시작합니다. 닭이나 인간과 마찬가지로 양막동물은 뇌와 피부의 전조인 원시적 줄무늬를 발달시켰을 것이고, 물고기와 양서류는 구형의 포공을 발달시켰을 것입니다.

횡배란 발레처럼 수백에서 수만 개의 세포가 조화롭게 움직이는 자기 조직화의 위업입니다. 그러나 발달에서의 중요성에도 불구하고 과학자들은 이러한 대규모 세포 이동을 조정하는 기본 메커니즘을 부분적으로만 이해하고 있습니다.

이제 하버드 대학, 캘리포니아 대학 샌디에고 대학, 영국 던디 대학의 연구진이 닭 배아의 낭배 형성과 관련된 패턴을 재현하고 예측할 수 있는 이론적 틀을 개발했습니다.

올해 초에 발표된 실험 결과를 바탕으로 과학 발전, 그리고 이론과 실험의 조합을 사용하여 연구자들은 세포 매개 변수와 행동의 작은 변화가 결과적인 원배 형성 패턴에 극적인 영향을 미칠 수 있음을 입증했습니다.

새로운 연구는 다음에도 발표되었습니다. 과학은 발전합니다.

“유기체의 형태 형성의 기초가 되는 발달 과정을 진화 전반에 걸친 동일한 과정의 변이와 연결시키는 것은 생물학의 오래된 질문입니다.”라고 하버드 존 A. 폴슨 학교 응용 수학 교수인 L. Mahadevan은 말했습니다. 공학 및 응용 과학(SEAS), 유기체 및 진화 생물학 교수, 예술 과학부(FAS) 물리학 교수이자 논문의 수석 저자입니다. “이 질문에 대한 유전자 중심의 분자 초점에서 벗어나, 우리는 다세포 수준에서 작동하고 발생 및 진화 관점 모두에서 자기 조직화된 낭배 형성 패턴을 설명하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 생물물리학적 원리가 있는지 물었습니다.”

연구자들은 실험자들과 긴밀히 협력하여 낭배 형성 동안 병아리 배아의 세포 상피층 움직임을 재현할 수 있는 이론적이고 계산적인 모델을 개발했습니다. 그런 다음 팀은 배아 세포의 초기 분포와 관련된 것과 세포 행동과 관련된 두 가지 매개 변수를 식별하여 장배 형성 중에 조정할 수 있습니다.

“병아리 발달 메커니즘에 의해서만 정보를 얻은 모델에서 이 두 가지 매개변수를 변경했을 때 다른 종에서 자연적으로 볼 수 있는 횡배 패턴이 놀랍게 나타났습니다.”라고 논문의 제1저자이자 전 Schmidt Science 연구원인 Mattia Serra가 말했습니다. 마하데반 그룹.

Serra는 UC San Diego의 물리학 조교수입니다.

계산 결과와 일관되게, 실험에서는 병아리 배아의 생체 내에서 동일한 매개변수를 교란시키면 병아리가 개구리에서 볼 수 있는 원반 모양의 포공, 물고기에서 볼 수 있는 것과 같은 고리 모양의 원형 원시 줄무늬, 또는 카멜레온에서 볼 수 있는 길쭉한 타원형 운하 모양의 줄무늬.

Mahadevan은 “우리 연구는 배아 발생 과정에서 능동적인 자기 조직적 흐름과 힘의 기초가 되는 일반적인 생물리학적 원리가 발달 과정과 다양한 척추동물 종의 진화적 변이를 설명할 수 있는 힘을 가지고 있음을 시사합니다.”라고 말했습니다.

Serra는 “우리는 얼마나 간단한 기계화학적 규칙이 살아있는 병아리 배아에서 측정된 수천 개의 세포의 매우 뚜렷하고 일관된 흐름을 예측할 수 있는지 보고 놀랐습니다.”라고 말했습니다.

이 연구는 초기 발달 과정에서 자기 조직화의 원리를 밝힐 뿐만 아니라 연구자들이 발달 과정의 진화 역사를 이해하고 합성 오가노이드의 발달을 제어하는 ​​방법을 제시하는 데 도움이 될 수 있습니다.

본 연구에서는 배아가 2차원에서 3차원으로 막 변형되는 초기 발달 단계를 살펴보았습니다. 다음으로 Mahadevan은 배아가 접히고 구부러지기 시작하여 더 복잡한 모양의 기관과 결국 전체 유기체를 만들 때 무슨 일이 일어나는지 이해하고 싶어합니다.

Mahadevan은 “분자 및 세포 수준의 발달 과정에 대한 우리의 지식을 사용하여 결국 세포가 어떻게 조직으로, 조직에서 기관으로 형성되는지에 대한 통합 프레임워크를 제공하여 형태 형성에 대한 더 나은 이해를 제공할 수 있기를 희망합니다”라고 말했습니다.

이 연구는 던디 대학의 Guillermo Serrano Nájera, Manli Chuai 및 Cornelis J. Weijer, 캘리포니아 샌디에이고 대학의 Alex M. Plum 및 Sreejith Santhosh 및 SEAS의 Vamsi Spandan이 공동 저술했습니다. 이는 Schmidt Science Foundation, Hellman Foundation, NSF-Simons Center for Mathematical and Statistical Analysis of Biology(상 1764269에 따라), 국립 보건원(National Institutes for Health), Simons Foundation 및 Henri Seydoux Fund의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231215015418.htm