Celulele embrionare își calculează coordonatele într-un mod optimal din punct de vedere matematic • Alexander Markov • Stiri științifice despre "Elemente" • Biologie de dezvoltare, embriologie

Celulele embrionare își calculează coordonatele într-un mod optimal din punct de vedere matematic.

Fig. 1. Tubul nervos al unui embrion de șoarece într-o secțiune transversală (la nivelul mugurilor labelor din față). în sus – partea dorsală sau dorsală (D), unde se produce BMP morfogen, în jos – ventrală sau ventrală (V), unde se produce morfogenul Shh. În fotografia din stânga culoarea roșie reflectă concentrația de BMP, verde – Shh. În dreapta – o schemă de marcare a tubului neural care reflectă împărțirea finală în secțiuni cu diferite tipuri de neuroni. Pax7, Olig2, Nkx2.2 – factorii de transcripție care sunt incluși în celule, în funcție de concentrația de morfogene. Pax7 marchează părțile dorsale ale măduvei spinării virale, Nkx2.2 – partea ventrală. NC (notochord) – coardă, FP (placă de bază) – placă de bază (Shh este produsă aici), RP (placă de acoperire) – placă de tavan, în cazul în care se produce BMP. Imagini din articolul în discuțieștiință

Un rol esențial în dezvoltarea embrionară a animalelor este jucat de gradienți de concentrație a substanțelor de semnalizare – morfogeni care se propagă în spațiul intercelular. Gradienții morfogienilor poartă informații pozitive, datorită cărora fiecare celulă poate "înțelege" în ce parte a embrionului este localizată și deci decide cum va evolua în continuare. Cu toate acestea, concentrația de morfogen nu poate fi ajustată cu precizie absolută.Nu rămâne clar cum celulele reușesc să ia decizii clare și corecte pe baza datelor vagi de intrare. Echipa internațională de embriologi a reușit să descopere modul în care celulele tuburilor neurale ale embrionilor vertebrate se confruntă cu această problemă. Sa dovedit că celulele extrag informații exacte despre poziția lor din două gradienți inexacte îndreptate în direcții opuse. Principiul decodificării, pe care îl utilizează în acest caz, corespunde metodei "probabilității maxime" care este optimă din punct de vedere matematic pentru rezolvarea acestei probleme.

Problema centrală a biologiei dezvoltării se reflectă într-una din problemele copiilor abordate în "Elemente": cum înțeleg celulele că unii ar trebui să devină păr, alții să devină oase, alții să devină creier etc.?

Una dintre principalele "indicii" folosite de celulele embrionare atunci când își aleg soarta este marcarea spațială a embrionului (sau a părților sale individuale), efectuată folosind gradienți de proteine ​​de semnalizare – morfogeni (vezi Morphogen), cum ar fi Wnt Wnt), Shh (arici sonic) sau BMP (vezi proteine ​​morfogenetice osoase). Morfogenul este produs, de obicei, de un grup local de celule și se răspândește.prin difuzie, iar concentrația morfogenului scade cu distanța de la locul producerii acestuia.

Concentrația de morfogeni în spațiul extracelular depinde de seturile de regulatori ai nivelului următor – factorii de transcripție (TF) – care sunt activate în interiorul celulelor. TF, la rândul său, reglează expresia multor gene, a căror activitate determină soarta celulei.

Gradienții morfogeni poartă "informații poziționale". Teoretic, cunoscând concentrația unuia sau mai multor morfogeni în spațiul intercelular înconjurător, fiecare celulă poate determina unde este localizată și, în funcție de aceasta, permite unu sau alt set de TF-uri, care vor corespunde opțiunii celulei (a se vedea soarta Cell).

În dezvoltarea tubului neural vertebral, morfogienii BMP și Shh, care formează gradienți antiparalel (în direcții opuse), joacă un rol-cheie. BMP este produs pe partea dorsală (dorsală) a tubului neural și Shh pe partea ventrală (abdominală). În consecință, în tubul neural, concentrația de BMP crește treptat de jos în sus și concentrația de Shh scade. Aceste gradienți furnizează informații poziționale celulelor, care se utilizează pentru a separa cu precizie tubul neural în direcția dorso-ventrală în mai multe secțiuni.Celulele fiecărui departament în viitor dau naștere unui anumit tip de neuroni (Figura 1, pentru detalii, vedeți știrea "Părțile în dezvoltare ale măduvei spinării sunt reglementate mai întâi la nivel central și apoi transferate către autoguvernare", "Elemente", 10.10.2014).

Codarea informațiilor de poziție utilizând concentrația de morfogen este un exemplu de codare analogică, care este plină de erori, deoarece concentrația nu poate fi ajustată cu o precizie absolută. În teorie, eroarea ar trebui să crească cu distanța de la centrul de producție al morfogenului. Un grup de embriologi din Austria, Elveția și Marea Britanie au încercat să descopere modul în care celulele tubului neural abordează această problemă.

În primul rând, cercetătorii au estimat concentrațiile de morfogene BMP și Shh la distanțe diferite față de marginile superioare și inferioare ale tubului neural la diferite stadii de dezvoltare. În acest scop, se folosesc metode inteligente, înșelătoare, asociate cu colorarea proteinelor, a căror apariție în celulă este un răspuns direct la legarea morfogenilor de receptorii care stau pe membrana celulară. Așa cum era de așteptat, puterea semnalului BMP a fost maximă pe partea dorsală a tubului neural, Shh – pe partea ventrală.Deoarece distanța de la marginea dorsală crește, concentrația BMP scade exponențial, iar concentrația de Shh se comportă în același mod ca și distanța de la marginea ventrală (figura 2, graficul din stânga).

Fig. 2. În stânga: intensitatea semnalelor primite de celulele tubului neural din morfogeni BMP (linii roșii) și Shh (linii albastre) la distanțe diferite față de marginile spinale și ventrale și în diferite stadii de dezvoltare. De-a lungul axei orizontale – distanța de la marginea dorsală în fracțiuni de la diametrul dorso-ventral al tubului neural (0 – marginea dorsală 1 – marginea abdominală, x – distanța absolută de la marginea dorsală L – diametrul dorso-ventral al tubului neural). Diferite nuanțe de roșu și albastru reflectă diferitele etape ale dezvoltării (vezi scala din dreapta, timpul se numără, pur și simplu, în ore din momentul formării tubului neural). În dreapta Este prezentat un grafic analogic care arată nivelurile de expresie ale factorului de transcripție "spinal" Pax3 și "abdominal" TF Nkx6.1. Înțelesul acestui grafic este că, în stadiile incipiente, expresia TF este controlată de morfogeni, dar apoi trece la autoguvernare (a se vedea explicațiile din text). Figura din articolul discutat în știință

Următoarea sarcină a fost aceea de a evalua acuratețea informațiilor poziționale conținute în gradientele de concentrație ale morfogenilor. Desigur, aceste gradienți nu pot fi (și nu sunt) absolut identici în toți embrionii. Există o variabilitate fatală și, prin urmare, celula își poate determina poziția numai prin concentrația de morfogen.

Autorii au calculat precizia cu care în principiu pentru a determina poziția unui punct (sau celulă) în tubul neural, cunoscând concentrația unuia dintre morfogeni (sau ambii) în acest punct. Rezultatele calculelor sunt reflectate în fig. 3.

Fig. 3. Mărimea erorii cu care puteți determina poziția unui punct relativ la marginile spinale și ventrale ale tubului neural (Eroare de poziție), cunoscând concentrația BMP (stânga diagramă) Shh (programul mediu) și ambele morfogene imediat (dreapta). pe orizontală – distanța de la marginea dorsală (ca în figura 2). Diferite nuanțe gri corespund diferitelor etape ale dezvoltării (vezi scara din dreapta). Linia întreruptă orizontală arată un nivel de precizie de trei diametre celulare. Aproximativ cu o astfel de precizie, tubul neural este împărțit în diviziuni în realitate. Figura din articolul discutat în știință

Sa dovedit că, aproape de marginea dorsală, unde concentrația de BMP este ridicată, se poate orienta cu încredere în sine, știind doar această concentrare. În vecinătatea regiunii abdominale, concentrația Shh oferă informații pozitive la fel de fiabile. Dar în partea centrală, unde concentrațiile ambelor morfogene sunt scăzute, nici una, nici cealaltă concentrație nu poate servi ca un ghid fiabil. Acest lucru poate fi văzut din modul în care curbele din stânga și din cele medii din figura 2 sunt executate în sus. 3. În special rapid, la distanța de la margini, precizia informațiilor poziționale se pierde în fazele târzii ale dezvoltării tubului neural (curbele întunecate corespund etapelor ulterioare).

Totuși, o celulă situată în sectoarele medii ale tubului neural poate să își "calculeze" corect poziția, cel puțin în primele sale stadii (în primele 30 de ore). Pentru a face acest lucru, trebuie să țină cont simultan de concentrațiile ambelor morfogene. Acest lucru poate fi văzut pe graficul din dreapta din Fig. 3, unde cele trei cele mai ușoare curbe de-a lungul întregii lungimi sunt situate destul de joase și aproape nu se extind dincolo de linia orizontală punctată. Această linie corespunde unei erori pozitive de plus sau minus trei diametre ale celulelor: cu o asemenea precizie, tubul neural este împărțit în secțiuni în timpul dezvoltării embrionului de șoarece.

Din punct de vedere matematic, cel mai bun mod de a extrage informații pozitive exacte de la două gradienți inexacte este metoda de probabilitate maximă (Y. Morishita, Y. Iwasa, 2011. Proiectarea codificării pentru morfogeneza robustă). Cunoscând valoarea medie și dispersia (varianța) concentrațiilor ambelor morfogene în fiecare poziție (de la marginea dorsală până la cea ventrală), este posibil ca fiecare combinație a celor două concentrații să calculeze distribuția probabilității că această combinație va fi observată într-o poziție sau alta. Apoi, pentru fiecare combinație puteți alege poziția cea mai probabilă. Combinația dintre aceste poziții cele mai probabile pentru fiecare combinație de concentrații Shh și BMP formează o "hartă de decodificare" (figura 4, diagrama stângă).

Fig. 4. Exemple de "hărți de decodificare" care pot fi utilizate pentru a extrage informații poziționale din gradienți anti-paralel Shh și BMP. Culori diferite sunt prezentate diferite poziții de-a lungul axei dorzo-ventrale (DV). Pe fiecare hartă, concentrația de BMP este reprezentată grafic pe orizontală și Shh – de-a lungul verticalei. stânga hartă construite folosind metoda probabilității maxime. Culoarea gri arată zona în care distribuția de probabilități este dublată: în acest domeniu, se sugerează metoda maximă de probabilitatecă celula este localizată fie la marginea ventrală, fie la marginea sentrală (dar cu siguranță nu în mijloc) și nu permite să se facă o alegere neechivocă. Harta medie extrage informații poziționale din raportul dintre două semnale ([Shh] / [BMP]), dreapta – din diferența lor ([Shh] – [BMP]). Oblică neagră cu puncte reflectă situația medie în tubul neural al unui embrion normal de șoarece (WT); punct corespund pozițiilor la distanțe egale unul față de celălalt. Linie verde înclinată corespunde șoarecilor mutanți cu activitate slabă Shh (Shh hipo). La astfel de șoareci, diviziunile ventrale ale tubului neural sunt puternic comprimate în direcția dorso-ventrală, în timp ce regiunile centrale și dorsale, dimpotrivă, se întind. Desene din articolul discutat în știință și materiale suplimentare pentru aceasta

În principiu, este posibilă extragerea informațiilor poziționale din gradientele a două morfogene în alte moduri. De exemplu, puteți să vă concentrați asupra raportului dintre două concentrații (atunci veți obține o hartă de decodificare prezentată în diagrama de mijloc din figura 4) sau diferența lor (diagrama din dreapta în figura 4). Este adevărat că aceste metode de decodificare nu oferă precizia necesară în interpretarea gradienților inexacte.În acest caz, precizia marcajelor tubului neural ar fi mai mică decât cea observată și poziția limitelor secțiunilor medii ale tubului neural ar varia mai mult de la embrion la embrion.

Diferențele dintre metodele de decodare se manifestă cel mai clar în regiunea concentrațiilor ridicate și în același timp identice ale ambelor morfogene. Cu o astfel de combinație de concentrații de celule BMP și Shh în realitate nu se ciocnesc: în tubul neural nu există poziții în care semnalele Shh și BMP ar fi aceleași și puternice în același timp. Dar o astfel de situație poate fi creată artificial. Cum se vor comporta celulele tubului neural in acest caz? Dacă acestea sunt ghidate de raportul sau de diferența de semnale, atunci nu contează pentru ele că ambele semnale sunt puternice și ceea ce contează este că ele sunt aceleași. În consecință, celulele vor alege soarta "mijlocie" (vor începe să producă TF, caracteristică secțiunilor medii ale tubului neural).

Metoda maximă de probabilitate în această situație dă un defect caracteristic. Distribuția probabilității este de două ori. Cu alte cuvinte, celula va "gândi" că este situată fie foarte aproape de marginea abdominală (deoarece concentrația de Shh este mare), fie de marginea coloanei vertebrale (deoarece concentrația BMP este ridicată).Dar presupunerea că se află în mijloc va fi decisiv respinsă, deoarece ambele concentrații o contrazic imediat.

Pentru a afla care dintre posibilele "cartele de decodificare" sunt utilizate în celulele tubului neural, autorii au efectuat o serie de experimente cu culturi celulare ale plăcii neuronale a embrionului de pui. Etapele timpurii ale dezvoltării sistemului nervos central la șoareci și pui sunt în mod evident bazate pe aceleași principii și substanțe de semnalizare, de aceea alegerea unui obiect aici este dictată doar de considerente de conveniență.

Celulele au fost expuse la Shh și BMP la diferite concentrații și au fost monitorizate care TF (dorsal, medial sau ventral) au fost activate în celule la o anumită combinație de concentrații. Experimentele au confirmat faptul că, cu un semnal puternic Shh și un BMP slab, sunt activate TF-urile abdominale, în timp ce în situația inversă (atunci când există o mulțime de BMP și puțin Shh) există și cele dorsale. În cazul în care ambele semnale sunt slabe, sunt incluse mediile TF. Toate acestea sunt pe deplin compatibile cu ceea ce se observă în dezvoltarea embrionilor reali și este în concordanță cu acestea de oricine din cele trei opțiuni de decodare prezentate în fig. 4.

Cele mai semnificative rezultate au fost obținute atunci când celulele au fost plasate într-un mediu cu concentrații la fel de mari de ambele morfogene.Sa dovedit că, în această situație, celulele nu aleg soarta "medie", așa cum ar fi procedat dacă ar fi fost ghidate de raportul dintre concentrații sau diferența lor. În schimb, celulele aleg la întâmplare fie o soartă dorsală sau ventrală. Într-o cultură celulară se formează un amestec nediferențiat de celule, dintre care unele produc TF dorsale, altele sunt abdominale, dar aproape nimeni nu produce medii. Oricine a ales să folosească metoda de probabilitate maximă pentru decodificarea informațiilor despre poziții ar acționa astfel. Amintiți-vă că această metodă este optimă în termeni de precizie informații de poziție extrase din două gradiente vagi și variabile.

Astfel, studiul ne-a adus mai aproape de o înțelegere a principiilor generale de descifrare a celulelor embrionare cu informații poziționale codificate în gradienți morfogeni.

Înțelegerea modului în care mecanismul de decodificare este aranjat la nivel molecular (adică, la nivelul rețelelor de gene de reglementare, vezi: M. Nikitin, rețelele de gene care controlează structura corpului animalelor) este o sarcină pentru viitor. Cu toate acestea, se poate spune ceva acum.De exemplu, este evident (și autorii au confirmat acest lucru cu ajutorul modelării) că pentru ca gradientele netede ale morfogenei să devină un marcaj spațial clar, diferite grupuri TF (dorsale, medii, abdominale) trebuie să fie neapărat în interacțiunea antagonică a celuilalt. De exemplu, includerea TF-urilor medii ar trebui să suprime expresia TF-urilor dorsale și ventrale, astfel încât nici măcar nu gândesc să se alăture în aceeași celulă. Aceasta este singura modalitate de a asigura certitudinea tubului nervos și limitele clare între ele.

Din aceasta rezultă că declanșarea expresiei stabile a unui set specific de TF (de exemplu, cele abdominale) corespunde adoptării de către celulă a unei decizii finale și irevocabile. Aceasta se numește "alegerea celulară a soartei lor" (decizia privind destinul celulei).

Pe baza celor de mai sus, este logic să presupunem că concentrațiile de morfogene ar trebui să aibă un efect vizibil asupra celulei numai în stadiile incipiente de dezvoltare – până în momentul în care un nivel stabil de exprimare al unui anumit set de TF este stabilit în celulă. După aceasta, diviziunile tubului neural trebuie să scape de controlul morfogienilor, trecând la autoguvernare.

Acesta este exact ceea ce au arătat mai devreme autorii (vezi: părțile în dezvoltare ale măduvei spinării sunt mai întâi reglementate la nivel central și apoi transferate către autoguvernare "Elements", 10/01/2014). În articolul discutat, autorii au subliniat acest fenomen pe de o parte: au arătat că în primele etape (în primele 30 de ore de dezvoltare a tubului neural), nivelurile de expresie ale TF dorsală și ventrală se schimbă de-a lungul axei dorso-ventrale lin, urmând strict concentrațiile de Shh și BMP. În acest stadiu incipient, graficul nivelului de expresie al TF dorsal arata la fel ca graficul concentratiei BMP, iar graficele ventrale arata ca Shh (curbele de lumina din graficele din stanga si din dreapta din figura 2 seamana reciproc). Dar atunci situația se schimbă: graficele de exprimare TF devin treptat (adică în zonele unde se exprimă aceste TF-uri, apar limite clare) și corelația cu Shh și BMP dispare (curbele întunecate din graficul din dreapta din figura 2 nu seamănă cu curbele corespunzătoare din stânga graficul). Aceasta înseamnă că celulele care au decis deja ce set de TF-uri vor exprima vor ieși din controlul morfogienilor și vor trece la autoreglementare.

Sursa: Marcin Zagorski, Yoji Tabata, Nathalie Brandenberg, Matthias P. Lutolf, Gašper Tkačik, Tobias Bollenbach, James Briscoe, Anna Kicheva. Decodificarea gradientilor morfogeni // știință. 2017. V. 356. P.1379-1383.

Vezi și:
Părțile în curs de dezvoltare ale măduvei spinării sunt mai întâi reglementate la nivel central și apoi transferate către autoguvernare, "Elements", 10/01/2014.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: