В год столетия публикации основополагающего трактата о физических и математических принципах, лежащих в основе природы - «О росте и форме» Д'Арси Вентворта Томпсона - физик из Кембриджа провел исследование, описывающее элегантно простое решение загадка, которая столетиями мучила биологов: как возникают сложные структуры ветвления тканей.
Ветвление встречается повсюду в природе - например, у деревьев, папоротников и кораллов - но также и в гораздо более мелком масштабе, где они необходимы для обеспечения того, чтобы организмы могли эффективно обмениваться газами и жидкостями с окружающей средой, максимально увеличивая доступная площадь поверхности.
Например, в тонкой кишке эпителиальная ткань расположена в виде множества пальцевидных выступов. В других органах, таких как почки, легкие, молочные железы, поджелудочная железа и простата, обменные поверхности эффективно упакованы вокруг сложных разветвленных эпителиальных структур.
«На первый взгляд, вопрос о том, как растут эти структуры - структуры, которые могут содержать до 30 или 40 поколений ветвлений - кажется невероятно сложным», - говорит профессор Бен Саймонс, возглавлявший исследование, опубликованное сегодня в журнал Cell. Профессор Саймонс занимает должности в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute.
Эта классическая проблема «морфогенеза ветвления» веками привлекала внимание ученых и математиков. Действительно, математические основы морфогенеза - биологического процесса, который заставляет организмы приобретать свою форму, - были предметом классического труда Д’Арси Вентворта Томпсона, опубликованного в 1917 году издательством Кембриджского университета. Томпсон был студентом Кембриджа, изучал зоологию в Тринити-колледже и некоторое время работал младшим демонстратором физиологии.
Во время развития ветвящиеся структуры управляются стволовыми клетками, которые управляют процессом роста и деления протоков (или «бифуркации»). Каждая последующая ветвь либо перестанет расти, либо снова продолжит ветвиться. В исследовании, опубликованном в журнале Nature ранее в этом году, профессор Саймонс, работавший в сотрудничестве с доктором Якко ван Рейненом из Института Хубрехта в Утрехте, показал, что в молочной железе эти процессы деления и терминации происходят случайным образом, но с почти равной вероятностью.
«Хотя в процессе коллективного принятия решений задействовано несколько различных типов стволовых клеток, наше открытие того, что рост происходит практически при подбрасывании монеты, позволяет предположить, что в его основе может лежать очень простое правило», - говорит профессор. Саймонс.
Профессор Саймонс и его коллега, доктор Эдуард Ханнезо, заметили, что пересечение ветвей было очень небольшим - протоки, казалось, расширялись, чтобы заполнить пространство, но не перекрывались. Это привело их к предположению, что протоки росли и делились, но как только кончик касался другой ветки, он останавливался.
«Таким образом, вы создаете полностью заполняющую пространство сеть с точно наблюдаемой статистической организацией с помощью простейшей локальной инструкции: вы разветвляетесь и останавливаетесь, когда встречаете созревающий проток», - говорит доктор Ханнезо, исследователь. Сэр Генри Велкам, научный сотрудник Института Гердона. «Это имеет огромное значение для базовой биологии. Это говорит вам о том, что сложные разветвленные эпителиальные структуры развиваются как самоорганизующийся процесс, основанный на поразительно простом, но общем правиле, без обращения к жесткой, предопределенной последовательности генетически запрограммированных процессов. события."
Хотя эти наблюдения были основаны на эпителии молочной железы, используя первичные данные доктора Розмари Сампогна из Колумбийского университета, профессора Анны Филпотт из Кембриджа и доктора Ракеша Хира из Университета Ньюкасла, исследователи смогли показать, что тот же самый правила, регулирующие эмбриональное развитие мышиной почки, поджелудочной железы и простаты человека.
"В молочной железе у вас есть сотня или более ограниченных судьбой стволовых клеток, участвующих в этом процессе бифуркации-роста-бифуркации, тогда как в поджелудочной железе их всего несколько; но основная динамика та же самая. ", - говорит профессор Саймонс. «Модель эстетически красива, потому что правила настолько просты, и в то же время они способны предсказать сложные схемы ветвления этих структур».
Исследователи говорят, что их открытие может дать представление о развитии рака молочной железы и поджелудочной железы, где на самых ранних стадиях заболевания часто наблюдается неправильная запутанная организация, напоминающая протоки.
Спустя столетие после публикации «О росте и форме» интересно наблюдать, как концепции самоорганизации и эмерджентности продолжают предлагать новые взгляды на развитие биологических систем, ставя новые вопросы о действующих регуляторных механизмах. на клеточном и молекулярном уровне», - добавляет профессор Саймонс.
Хотя может быть слишком рано говорить о том, применимы ли подобные правила к другим разветвленным тканям и организмам, есть интересные параллели: ветвление на деревьях, похоже, следует аналогичной схеме, например, с боковыми ветвями, растущими и разветвляющимися, пока они не заштрихованы или до тех пор, пока они не будут экранированы другой ветвью, после чего они останавливаются.
Исследование финансировалось Wellcome Trust при дополнительной основной поддержке со стороны Cancer Research UK и Совета по медицинским исследованиям.
Д-р Шени Чен из отдела исследований клеток и развития Wellcome сказал: «Это изящное исследование, которое помогает нам понять, чем руководствуются решения, принимаемые нашими клетками во время основных процессов развития. Удивительно видеть, что такие простые правила могут управлять созданием таких очень сложных шаблонов, и что эти правила могут применяться к различным разветвленным структурам».