Informatie

7.2: Een Turing-achtig model voor het genereren van strepen in cijferontwikkeling (Rivera en Ramirez) - Biologie


Je ledematen beginnen eerst als een klein knobbeltje van je romp te groeien. Terwijl cellen zich vermenigvuldigen, begint een klein staafje skeletweefsel precies in het midden te groeien. Dit wordt de humerus of het dijbeen. Dit skeletweefsel wordt al vroeg gespecificeerd door Sox9, een transcriptiefactor die ook betrokken is bij geslachtsbepaling. Naarmate het ledemaatweefsel langer en breder wordt, verschijnen er twee parallelle botten (de radius en ellepijp of de tibia en fibula). Het weefsel wordt nog langer en breder en er verschijnen vijf parallelle botten - de middenhandsbeentjes en uiteindelijk de vingerkootjes (Figuur 3).

Figuur 3: Delen van de Tetrapod-ledemaat. Linkerpaneel is een afbeelding van wikimedia commons (Peteruetz) gepubliceerd onder een CC BY-SA 3.0-licentie. Rechter paneel toont een basismodel van tetrapod ledematen ontwikkeling. Naarmate elke kraakbeencondensatie (blauw, Sox9) zich vormt, wordt het repressief voor de vorming van nabijgelegen condensaties. De diffusie en kracht van onderdrukking geven een "golflengte" weergegeven in paars, buiten de golf kunnen condensaties worden gevormd (X-as is proximaal-distale as en Y-as is kracht van onderdrukking). Het gele gebied is een gebied van instabiliteit (hoge concentratie van FGF's van de apicale ectodermale rug) waar condensaties zich niet kunnen vormen. Naarmate de ledemaat groter wordt, is er ruimte voor meer condensaties met dezelfde golflengte. Een bewerkbaar svg-bestand van het rechterpaneel kan worden gedownload op https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/32/

Een vroeg model voor de ontwikkeling van ledematen stelde voor dat een remmend diffuus morfogeen wordt gemaakt door de kraakbeencondensaties (die later ledematenbotten zullen worden). In de vroege ledemaatknop kan deze remmer zich over het hele kleine weefsel verspreiden, zodat er maar één condensatie wordt afgezet die het grote bot van de stylopod vormt. Naarmate de ledemaat langer en breder wordt, kan de remmer geen voldoende hoge concentraties bereiken om de volledige breedte van de ledemaatknop te bedekken en vormen zich twee condensaties (de parallelle botten van de zeugopod). In de zich ontwikkelende autopod is het weefsel breed genoeg om 5 wederzijds remmende condensaties te ondersteunen - de vijf vingers van de voet of hand (Figuur 3)16. Verschillende Turing-modellen kunnen een dergelijk streeppatroon genereren, waaronder het Activator Inhibitor-model en het Substrate Depletion-model (Figuur 4).

Figuur 4: Twee Turing-modellen voor cijferstrepen. Het model aan de linkerkant is een activator-remmermodel waarbij diffundeerbare activator V zichzelf activeert, evenals diffundeerbare remmer W. Inhibitor W remt zichzelf en activator V. De cs vertegenwoordigen verschillende interactiesterkten.

Het model aan de rechterkant is een Substrate Depletion-model, waarbij diffundeerbare activator X substraat Y opgebruikt (of remt). Substraat Y remt zichzelf dus door zijn eigen remmer te activeren. Om tussen deze modellen te testen, kan de expressie van moleculen waarvan wordt aangenomen dat ze bij het proces betrokken zijn, worden getest. Als de expressiepatronen elkaar overlappen (grafiek links), wordt het Activator Inhibitor-model ondersteund. Als de expressiepatronen complementair zijn (grafiek rechts), dan wordt het Substrate Depletion-model ondersteund.

Figuur gewijzigd van originele cijfers door Marcon et al, 201621 oorspronkelijk gepubliceerd onder een CC BY 4.0-licentie

Experimenten met eiwitten die tot expressie werden gebracht in de interdigit-gebieden of cijfers, boden ondersteuning voor het Substrate Depletion Model17. Deze experimenten toonden echter ook aan dat in plaats van enkele eiwitten, cijferpatroon daadwerkelijk wordt gespecificeerd via verschillende op elkaar inwerkende signaalroutes. Bmp, Sox9 en Wnt vormen de kerncomponenten van de patronen die de "golflengte" van de cijferafstand genereren. Alle drie deze genen vormen expressiegradiënten, met de hoogste Sox9 in het midden van de cijfers en de hoogste Bmp en Wnt in de interdigits (Figuur 5)17. Bmp uitgedrukt in de interdigit-gebieden onderdrukt zichzelf maar diffundeert naar buiten om Sox9 te activeren in de nabijgelegen cellen (de toekomstige cijfers). Sox9 onderdrukt Bmp, zodat Bmp alleen in de interdigits wordt uitgedrukt. Wnt-liganden zijn alomtegenwoordig, maar de doelwitten (inclusief b-catenine) worden alleen uitgedrukt in de interdigits. Verlies van b-catenine resulteert in een uitbreiding van Sox9-expressie en een uitbreiding van b-catenine-expressie vermindert de Sox9-expressie, wat suggereert dat Wnt/b-catenine een repressor is van Sox919,20. Deze interacties geven een model waarin de cijfers zich in een regelmatig patroon vormen met een golflengte die wordt gespecificeerd door de sterkte van de Bmp/Sox9/Wnt-interacties en het vermogen van Bmp en Wnt om te diffunderen (Figuur 5)17.

Figuur 5: De Raspopovic et al.17 model voor cijferspecificatie. Sox9, de primaire cijfermarkering, specificeert cellen om skeletcondensaties te vormen. Het wordt uitgedrukt in de cellen die cijfers worden in de autopod. In dit model is Sox9 (blauw) de activator en interageert het met de BMP- en Wnt-signaleringsroutes. Autopods worden weergegeven als grijze cirkels in de linkerkolom met kleurgecodeerde expressiepatronen. Sox9 en Smad (paars, output van de BMP-route) worden uitgedrukt in de cijfers, terwijl BMP (groen) en b-catenine (rood, output van de Wnt-route) worden uitgedrukt in de interdigits.

De linkerkolom toont het Turing-model voor deze interacties. Het topmodel werd oorspronkelijk voorgesteld door Raspopovic et al17 en vervolgens verfijnd door Marcon et al21. Het Marcon et al-model handhaaft de centrale positie van Sox9, die zijn eigen expressie buiten de condensatie onderdrukt. Sox 9 remt de Wnt-route, die b-catenine en andere doelgenen in de Sox9-zones onderdrukt. b-catenine onderdrukt Smad, dat een doelwit is van diffundeerbare BMP-signalering. De remmende werking van Smad op BMP zorgt ervoor dat BMP niet actief is in de cellen die Smad tot expressie brengen, waardoor deze twee leden van de BMP-route complementaire activeringspatronen krijgen.

Het paneel rechtsonder vat de output van het complexe Marcon et al-model samen.

Gewijzigd van Marcon et al21 oorspronkelijk gepubliceerd onder een CC BY 4.0-licentie

Een bewerkbare SVG-versie van deze figuur kan worden gedownload op: https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/33/

Figuur 6: de golflengte wijzigen. De peddelvormige autopod moet tijdens de groei extra condensvorming mogelijk maken. Dit zou moeten leiden tot extra botten in het distale deel van de autopod of vertakking van bestaande condensatie (bovenpaneel).

Hoxd13-mutanten geven fenotypes zoals het bovenste paneel, wat suggereert dat Hoxd13 de golflengte van de Sox9-condensaties wijzigt. Hoxd13 diffundeert vanuit de Apical Ecodermal Ridge en vormt een gradiënt (geel). Waar Hoxd13-niveaus hoog zijn, is de golflengte (of interdigit space) groot. Waar Hoxd13-niveaus laag zijn, is de golflengte klein. De modulatie van Hoxd13-niveaus en/of het vermogen om de golflengte te reguleren resulteert in onvertakte cijfers17,18.

Een bewerkbare SVG-versie van deze figuur kan worden gedownload op: https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/34/

Maar er is één groot probleem hiermee. In tegenstelling tot de zeugopod en stylopod, is de autopod peddelvormig. Dat betekent dat het tijdens de ontwikkeling snel breed wordt, waardoor een weefsel ontstaat dat volgens het voorgestelde model meer kraakbeencondensatie aan de punt zou moeten ondersteunen dan nabij de pols (Figuur 6). Dit probleem wordt opgelost door Hoxd13. Hoxd13 is een a Hox-gen dat helpt bij het patroon van de handen, voeten, het maagdarmkanaal en de voortplantingsorganen. In de handen en voeten (autopods) wordt het uitgedrukt in een gradiënt, met de hoogste niveaus nabij de Apicale Ecodermal Ridge (AER) aan het uiteinde van de ledemaatknop. Hoxd13 stabiliseert het cijfer op twee manieren. Ten eerste fungeert het als een "zone zonder patronen". In de regio met de hoogste Hoxd13 is de expressie van Sox9 onstabiel en kunnen zich geen nieuwe condensaties vormen. Verder weg van de AER in een gebied met een lagere Hoxd13 kunnen nieuwe Sox9-aangedreven condensaties ontstaan. Nog verder weg van de AER, waar geen Hoxd13-expressie aanwezig is, zijn de bestaande condensaties stabiel. Er zullen zich geen nieuwe condensaties vormen, zelfs niet als het weefsel breder wordt. Hoxd13 stabiliseert ook het aantal cijfers door het vermogen van Sox9 om Bmp en Wnt te remmen te vergroten. Dit heeft tot gevolg dat de golflengte van de cijfers in het distale gedeelte van de autopod breder wordt, waardoor de ontwikkeling van extra cijfers daar wordt onderdrukt (Figuur 6)18. In Hoxd13-muismutanten vertakken de kraakbeencondensaties van de autopod zich in de distale delen, volgens de natuurlijke golflengte van de Bmp/Sox9/Wnt-interactie18.

Figuur 7: Mutaties in regulatoren van Sox9-expressie. Sox9 wordt normaal gesproken uitgedrukt in skeletelementen van gewervelde dieren (toekomstig bot en kraakbeen). Aan de linkerkant is het typische Sox9-expressiepatroon in de autopod. De middelste kolom toont de normale expressie van drie morfogenen die betrokken zijn bij Sox9-patronen in de autopod.

Hox13 (paars) komt van de AER en vormt een gradiënt die hoger is aan het distale uiteinde en lager aan het proximale uiteinde.

b-cat (beta-catenine, rood) is het hoogst tussen de cijfers (in de interdigits).

BMP (groen) is overal het hoogst, behalve de skeletelementen, ook in de interdigits.

Verlies van functie-mutaties in elk van deze genen onthullen hun functie bij het afstemmen van het Turing-mechanisme voor cijfervorming. Hox13 brengt normaal gesproken een langere Sox9-golflengte tot stand in het distale uiteinde van een autopod. Hox13-mutanten vertonen de proximale golflengte aan het distale uiteinde - wat resulteert in vertakte vingers. b-cat voorkomt normaal gesproken dat Sox9 wordt uitgedrukt in de interdigits. b-cat-mutanten vertonen skeletelementen over de autopod. BMP veroorzaakt normaal gesproken de afscheiding van Smads, die de expressie van Sox9 veroorzaken in cellen die geen BMP tot expressie brengen. BMP-mutanten resulteren in een verlies van skeletelementen. Figuur door Desmond Ramirez


Bekijk de video: My Engagement to Alan Turing by Joan Clarke later Joan Murray (November 2021).