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华人学者Cell提出全新机制:你、我、他为何都长这样?

来源/作者:alax   发表时间:2016-04-22 14:30:22  
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  虽然我们人类肤色不同、胖瘦各异,但在其他生物眼中我们可能都长得差不多。相信重度脸盲症患者对此也深有体会。事实上,同种生物的肢体和器官比例的确是大致相同的。那么为什么你、我、他都有惊无险地长成人样了呢?Duke大学的研究人员在本周Cell杂志上给出了他们的答案。这篇文章描述了一个全新的模式形成(pattern formation)机制。

虽然我们人类肤色不同、胖瘦各异,但在其他生物眼中我们可能都长得差不多。相信重度脸盲症患者对此也深有体会。事实上,同种生物的肢体和器官比例的确是大致相同的。那么为什么你、我、他都有惊无险地长成人样了呢?Duke大学的研究人员在本周Cell杂志上给出了他们的答案。这篇文章描述了一个全新的模式形成(pattern formation)机制。

细胞是生物体的基本单位,它们以特定的模式排列在一起,组成了各式各样的器官,形成了变化万千的图案。这个过程的分子机制一直是发育生物学关注的焦点问题。1952年,“人工智能之父”阿兰•图灵(1912-1954)发表了自己唯一的生物学论文,开启了一个用数学解读形态发生的全新领域。文章指出,生物界变化万千的斑点或条纹模式可以用简单的化学扩散和化学互作来解释。不过,许多科学家认为事情不会就这么简单。

Duke大学的Lingchong You博士发现,时间线索是生物模式形成的重要途径。他将两个化学信号与一些变量结合起来,展示了时间线索(timing cues)的强大威力。在他的研究中,时间线索令基因工程菌形成了特定生物模式,而且这种模式在菌落间保持大致相同的比例。You博士早年毕业于中国科技大学,后来在Wisconsin大学获得博士学位,现在是Duke大学生物医学工程副教授。

研究人员建立了生产蛋白质T7RNAP(标记蓝色荧光)的基因工程菌,这种蛋白通过一个正反馈回路激活自身表达。随着菌落越长越大,T7RNAP产量越来越多,基因工程菌开始生产T7溶菌酶(标记红色荧光)。T7溶菌酶可以抑制T7RNAP的生产,这两种分子互作的地方会呈现紫色。由于菌落外缘的细菌比内部细菌更加活跃,该体系会形成一个紫色的圆环。

研究人员发现,改变生长环境的大小和营养物质的量,能够控制紫色圆环的厚度以及圆环出现的时间。这两种因素为生物模式的形成提供了时间线索,更大的生长环境或更多的营养物质会延迟紫色圆环的出现。You博士认为,类似的时间回路应该也在其他生物中起作用。

“我们实验中的两个扩散性分子没有指挥细胞在什么位置开始或停止蛋白生产,而是告诉细胞何时开始或停止蛋白生产。时间线索足以生成特定的模式并且控制这个模式的比例,”You博士说。“这是一个全新的机制。”

图灵是第一个通过简单化学来解释形态发生的人。他认为同种细胞能通过细胞间反应扩散,发生分化、改变形状并形成特定模式。物理学教授Seth Fraden和化学教授Irv Epstein按照图灵的理论,合成了具有激活和抑制性化学反应的类细胞结构,并对图灵的模型进行了测试。他们观察到了图灵所预测的六种模式,还另外发现了一种未被预测到的模式。这项研究不仅会对生物发育研究产生重要影响,也将推动材料科学的发展。举例来说,图灵的模型可以帮助人们开发拥有特定模式和形状的柔性机器人。

过去,人们用图灵理论解释了一些简单的模式,例如斑马条纹和沙丘起伏。James Sharpe教授领导研究团队首次将这一理论应用到了胚胎学领域,证实手指和脚趾的形成符合图灵模型。虽然胚胎发育问题表面上与图灵的数学专长没什么关系。然而从某种意义上说,图灵找到了生命自我构建背后的数学法则。

形态发生(Morphogenesis)这个词语来自于希腊语的morphê,以及形成发生genesis,是一种生物发展过程。Science杂志特别推出了形态发生的专题,通过一篇介绍和三篇综述,解析了形态发生研究领域近期的研究进展,探讨了最新的理论特点和发展前景。

 

推荐原文:Collective Space-Sensing Coordinates: Pattern Scaling in Engineered Bacteria

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