Модель французского флага
Модель французского флага — это концептуальное определение , морфогена описанное Льюисом Вулпертом в 1960-х годах. [2] [3] Морфоген определяется как сигнальная молекула , которая действует непосредственно на клетки (не посредством последовательной индукции ), вызывая специфические клеточные реакции, зависящие от концентрации морфогена. Во время раннего развития градиенты морфогена генерируют различные типы клеток в различном пространственном порядке. Паттерн французского флага часто встречается в сочетании с другими: развитие конечностей позвоночных - один из многих фенотипов, демонстрирующих паттерн французского флага, перекрывающийся с дополнительным паттерном (в данном случае паттерном Тьюринга ). [4]
Обзор
[ редактировать ]В модели французского флага французский флаг используется для обозначения влияния морфогена на дифференцировку клеток: морфоген влияет на состояния клеток в зависимости от концентрации, эти состояния представлены различными цветами французского флага: высокие концентрации активируют «синий» «, более низкие концентрации активируют «белый» ген, при этом «красный» служит состоянием по умолчанию в клетках ниже необходимого порога концентрации.
Модель французского флага была поддержана ведущим дрозофилы биологом Питером Лоуренсом . Кристиан Нюсляйн-Фольхард идентифицировала первый морфоген, Bicoid , один из факторов транскрипции, присутствующий в градиенте в дрозофилы синцитиальном эмбрионе . Две лаборатории, лаборатория Гэри Струла и лаборатория Стивена Коэна , затем продемонстрировали, что секретируемый сигнальный белок Decapentaplegic ( у дрозофилы гомолог трансформирующего фактора роста бета ) действует как морфоген на более поздних стадиях развития дрозофилы . Вещество управляет характером развития тканей и, в частности, положением различных специализированных типов клеток внутри ткани. Он распространяется из локализованного источника и образует градиент концентрации в развивающейся ткани.
К хорошо известным морфогенам относятся: декапентаплегический / трансформирующий фактор роста бета , Hedgehog / Sonic hedgehog , Wingless / Wnt , эпидермальный фактор роста и фактор роста фибробластов .
Некоторые из самых ранних и наиболее изученных морфогенов представляют собой факторы транскрипции , которые диффундируют в ранние эмбрионы Drosophila melanogaster (дрозофилы). Однако большинство морфогенов представляют собой секретируемые белки, передающие сигналы между клетками.
Морфогены определяются концептуально, а не химически, поэтому простые химические вещества, такие как ретиноевая кислота, также могут действовать как морфогены.
Трудности
[ редактировать ] | этой статьи Разделы «критика» или «противоречие» могут поставить под угрозу ее нейтральность . ( июнь 2021 г. ) |
В основе модели французского флага лежит идея о том, что морфоген автономно формирует градиент, при этом отдельные клетки считывают концентрацию градиента. Затем клетки реагируют на определенный уровень градиента специфической дифференцировкой, чтобы соответствовать положению, в котором они находятся, указывает градиент. Хотя она широко принята в качестве важной модели для понимания морфогенеза , она не является общепринятой всеми биологами развития. Трудности со всеми градиентными моделями морфогенеза были подробно рассмотрены Натали и Ричардом Гордонами и включают семь [5] конкретные моменты:
- Для поддержания градиента в устойчивом состоянии должен быть сток, т.е. способ, при котором диффундирующие молекулы разрушаются или удаляются по пути и/или на некоторых границах. Поглощающие элементы редко, если вообще когда-либо, учитываются при вызове модели градиента.
- Для создания градиента диффузия должна происходить в ограниченном пространстве. Однако многие организмы, такие как аксолотль, развиваются нормально, даже если желточная оболочка и слои желе удалены и развитие происходит в проточной воде.
- Диффузия зависит от температуры, однако развитие может протекать нормально при самых разных температурах у животных, яйца которых развиваются вне матери.
- Диффузионные градиенты плохо масштабируются, однако эмбрионы бывают разных размеров.
- Градиенты диффузии подчиняются принципу суперпозиции. Это означает, что градиент одного вещества в одном направлении и градиент того же вещества в перпендикулярном направлении приводят к одному одномерному градиенту в диагональном направлении, а не к двумерному градиенту. Биологи развития часто используют двумерный градиент, хотя система двумерного градиента требует двух градиентов морфогена с двумя разными источниками и стоками, расположенными примерно перпендикулярно друг другу.
- Всегда происходят колебания градиентов, особенно при низких концентрациях, обычно встречающихся во время эмбриогенеза, что делает проблематичным специфический ответ отдельной клетки на определенные пороговые концентрации.
- Каждая клетка должна иметь возможность точно «считывать» концентрацию морфогена, иначе границы между тканями становятся неровными. Однако такие неровные границы редки в развитии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кнабе Дж. Ф., Неханив К. Л., Шилстра М. Дж. (2008). Эволюция и морфогенез дифференцированных многоклеточных организмов: автономно генерируемые градиенты диффузии для позиционной информации . Искусственная жизнь XI: материалы одиннадцатой международной конференции по моделированию и синтезу живых систем.
{{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Вулперт Л. (октябрь 1969 г.). «Позиционная информация и пространственная картина клеточной дифференциации». Дж. Теория. Биол . 25 (1): 1–47. Бибкод : 1969JThBi..25....1W . дои : 10.1016/S0022-5193(69)80016-0 . ПМИД 4390734 .
- ^ Вулперт, Льюис; и др. (2007). Принципы развития (3-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-927536-6 .
- ^ Шарп, Джеймс; Грин, Джереми (2015). «Позиционная информация и реакция-диффузия: сочетание двух больших идей в биологии развития» . Разработка . 142 (7): 1203–1211. дои : 10.1242/dev.114991 . hdl : 10230/25028 . ПМИД 25804733 .
- ^ Гордон, Натали К.; Гордон, Ричард (2016). «Органелла дифференцировки эмбрионов: расщепитель клеточного состояния» . Теоретическая биология и медицинское моделирование . 13 . дои : 10.1186/s12976-016-0037-2 . ПМЦ 4785624 . ПМИД 26965444 .