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科学家释放神经系统在再生中的新作用

  

神经系统

 

  塔夫茨大学的生物学家开发了一种涡虫(扁虫)再生的计算模型,该模型解释了涡虫的碎片如何确定哪个末端应该形成尾巴而哪个应该形成头部。该开发开始回答再生研究中的一个重要问题-哪些信号决定了特定解剖结构的重建?结合建模和实验,研究人员确定神经纤维的方向决定了化学信号的重新分布,从而建立了头尾轴的方向。该模型还能够预测多种遗传,药理和外科操作的结果,例如带有两个头或两个尾巴的蠕虫。

  发表在《PLOS计算生物学》杂志上的结果超出了平面虫,显示了生理和遗传信号的计算模型如何帮助理解和控制再生。神经方向性有助于指导器官水平结构的发现可能在生物医学领域有许多应用,例如哺乳动物的再生,先天缺陷,类器官的生物工程学和癌症。

  该计算模型使用名为Planarian Interface for Modeling Body Organisation(PLIMBO)的新的开放源代码仿真平台,该平台整合了许多驱动再生的生物学机制,其中一些机制先前已发表,而另一些则在当前研究中发现。这种计算环境创建了在分子,细胞,组织和整个生物体水平发生的事件的逼真的定量模拟。该模型通过提供形态发生子的主动转运来帮助确定神经元在再生中的重要作用,形态发生子是指导细胞生长和组织进入不同组织和解剖结构的分子。研究人员发现,神经元在重建人体计划的极性(头到尾),以及确保可以快速分布形态发生素从而使神经元的功能发挥关键作用。再生过程可以在不同规模上有效地工作-从微小的碎片到完整的身体。

  画中画进入全屏玩扁虫碎裂后形态发生子Erk,β-Cat和Notum的重新分布。重新设置的梯度有助于确定片段再生中从头到尾的极性图片来源:塔夫茨大学Alexis Pietak和Mike Levin

  该模型基本上是一个涡虫体的二维图,其中重要的信号分子(例如Hh,NRF,ERK,Wnt,cAMP,β-Cat,Ptc和APC)均遵循各自的生产,分布和运输规则沿着细胞路径相互交流。为了更好地了解再生过程,作者检查了计算出的结果,包括剪掉部分图谱,抑制虚拟形态发生子的运输和/或扰动特定形态发生子的产生。然后,通过在蠕虫中进行物理切除并暴露于RNAi或药物治疗,以实验方式检查这些干预措施的结果,这可以减少或增加特定形态发生素的生物产生。

  尽管数十年来已经知道神经元在某种程度上对再生能力很重要,但这是第一项研究,揭示神经定向性特别指示随后的生化物质再分配决定了主要身体轴的解剖学极性。这显示了有序模式如何在单个细胞尺度上出现并传播到组织和器官。

  “该模型在预测蠕虫的实际生物学结果方面非常出色,”文理学院的Vannevar Bush生物学教授,塔夫茨大学艾伦发现中心主任Michael Levin博士说。“它使我们能够直观地看到模式信息如何从细胞水平渗透到生物体水平,以及特定细胞(例如神经元)的方向性如何驱动下游的生化梯度和器官确定。该模型使我们能够对从未进行过的新实验,揭示了神经方向性胜过(并重置)预先存在的生化梯度。”

  神经方向通过充当某些形态发生剂的快速导管来指导再生中的极性。神经元在其中包含称为微管的“轨迹”系统,以及沿这些轨迹传输分子的分子“引擎”。该引擎包括动力蛋白和驱动蛋白,抑制这些分子中的任何一个都可能导致模型预测的再生异常。如模型所预测的那样,新颖的实验表明,碎片中预先存在的化学物质梯度不会设定头尾轴的方向,而是会被神经元纤维的方向性所重写。

  主要作者,设计模型的生物物理学家亚历克西斯·皮塔克(Alexis Pietak)说:“ PLIMBO允许我们以定量严格的方式检查再生。” “我们可以通过模拟神经元和新型形态发生素的作用并观察它们是否能提高预测实验结果的能力来填补知识的空白。这不仅可以使我们更好地理解再生,组织和器官形成的过程,而且还对如何在妊娠期间破坏其他动物的身体形态,导致先天缺陷的见解。”

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