基因是胚胎从一团细胞发育成器官、肌肉和四肢的控制面板，但其中涉及的不仅仅是遗传学。还有物理学——细胞活动和生长产生的流动和力量塑造组织。
《发育细胞》和《美国科学院院刊》最近发表的两项研究揭示了胚胎发育过程中基因介导的几何形状和力量，这些几何形状和力量导致了肠道的不同部分和形状，包括大肠和小肠。这些发现弥补了遗传信号和早期肠道物理形成之间的关键差距。
由前格里芬艺术与科学研究生院学生HasreetGill领导的《发育细胞》论文展示了一组称为Hox基因的发育指令如何控制肠道形成。在这项研究中，Gill和同事追踪了鸡胚胎作为模型生物的肠道发育情况;Hox基因也存在于人类和所有其他脊椎动物中。
“我想了解为什么肠道的不同区域，从前部(即食道)到后部(即大肠)，最终会呈现出不同的形状，”吉尔说，她与她的博士导师、哈佛医学院遗传学教授克利福德·塔宾共同撰写了这两篇论文。吉尔是分子和细胞生物学系分子、细胞和生物体专业的一名学生。
该研究通过与约翰·保尔森工程与应用科学学院前博士后研究员SifanYin以及SEAS和FAS应用数学、物理学和生物学教授L.Mahadevan的合作，将实验与计算理论联系起来。
吉尔的研究建立在之前关于Hox基因如何参与器官分化的研究基础之上。这组基因在整个动物进化史上都高度保守，因其在果蝇身体分节中发挥的作用而荣获1995年诺贝尔奖。
Gill及其同事发现，鸡胚大肠和小肠组织可测量的机械特性直接影响着它们最终的形状。例如，她发现，小肠绒毛的组织与大肠内壁的组织具有不同的刚度参数，大肠内壁的褶皱更大、更平整、更浅。
为了测试所有这些机械差异的后果，该实验室与Mahadevan实验室进行了长期合作，包括Yin在内的Mahadevan实验室成员进行了理论和计算分析，以确定差异生长产生的物理力对器官形状的影响。
人们早就知道，Hox基因是决定不同器官(包括肠道)如何划分和成形的指令。但这个过程的具体过程却一直是个谜。
为了解决这个问题，吉尔和同事们重新回顾了塔宾实验室在20世纪90年代进行的一项研究这个问题的实验。在那项实验中，他们在小肠中表达了一种特定的Hox基因，发现它具有大肠的特征。
Gill的团队重复了这项实验，同时对肠道不同部分的机械特性进行了物理测试，考虑了壁硬度、生长率和组织厚度等因素。他们发现HoxD13基因特别调节组织的机械特性和生长率，最终决定大肠的最终形状。其他相关的Hox基因可能为小肠定义相同的特性。
至关重要的是，他们还阐明了下游信号通路TGFβ的作用，该通路受Hox基因控制。通过调整胚胎中TGFβ信号的数量，他们可以改变不同肠道区域的形状。长期以来，人们一直认为该通路与纤维化有关，认识到其重要性是全面了解脊椎动物肠道发育的重要基础科学步骤。
吉尔表示，这些见解可能带来对结肠癌和其他肠道纤维化疾病状况的新认识。
“一种可能性是，这种疾病正在利用一种可能导致细胞外基质过度沉积的发育程序，最终对患者有害，”她说。“了解这种发育背景，尤其是与Hox基因表达相关的发育背景，至少可能有助于理解这些疾病在人类身上发生的更广泛背景。”
由吉尔和尹共同领导的补充PNAS论文展示了几何形状、弹性特性和生长率如何控制肠道不同部位的各种机械模式。
“我们专注于研究机械和几何特性如何直接影响形态，特别是更复杂的二次屈曲模式，如周期倍增和多尺度褶皱模式，”活跃和生长软组织的理论建模和数值模拟专家Yin说道。
Mahadevan补充道：“这些研究让我们开始探索肠道发育的可塑性，特别是在进化的背景下。遗传信号的自然变异是否会导致不同物种的肠道形态各异?这些信号本身是否可能是环境变量(如生物的饮食)的函数?”
尹说，这两篇论文为研究基因如何影响形状的发展或形态发生提供了一个新的范例。
Yin表示：“形态发生是由细胞事件、组织动力学和与环境的相互作用产生的力量所驱动的。我们的研究弥合了分子生物学和机械过程之间的差距。”
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！