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一个简单的发育模型揭示了细胞谱系的形状和与再生的联系

地球上已经进化出各种形式的复杂多细胞生物,从仅具有 2 种细胞类型的简单的沃尔沃克斯菌到拥有 200 多种细胞类型的我们人类。所有这些都起源于单细胞受精卵,它们的发育过程取决于开关样基因调控。这些过程已经在一些模式生物中得到了非常详细的研究,例如线虫C. elegans和果蝇 D. melanogaster。众所周知,参与多细胞生物发育的关键分子和机制在物种间是高度保守的。

同样值得注意的是,只有少数参与多细胞生物发育的分子和机制才能产生如此巨大的形式和复杂性多样性。最近,基础科学研究所软物质和生命物质中心的研究人员使用简单的数学模型研究了如何实现这一点。通过这项工作,他们试图回答两个看似相反的问题:通过发育产生的多样性的极限是什么,以及所有多细胞生物在发育过程中共有哪些共同特征。

三个过程对于所有多细胞生物的生物发育都是共同的:细胞分裂、细胞信号传导和基因调控。因此,本研究的模型生成了数百万条这样的规则,并以公正的方式对其进行了探索。模型生成的映射代表了在生物体的生命周期中一种细胞类型如何转化为另一种细胞类型。传统上,以前基于单细胞转录组学的细胞类型图倾向于树状,干细胞位于树的根部,越来越多的特化细胞沿着树枝出现在下游。然而,新数学模型产生的细胞类型图远非树状。发现细胞类型的不同分支之间存在许多交联。这些导致了有向无环图,并且发现树谱系是最不普遍的。这意味着在模型生成的地图中,多条发展路线有可能会聚到终端细胞类型上。

令人惊讶的是,还发现数学模型产生的许多生物都具有再生丢失细胞的能力,而无需作者强加任何选择。当从成年生物体中分离出一种细胞类型时,单个细胞可以转化并补充所有其他细胞类型。这种产生身体所有细胞的能力被称为多能性,这些细胞赋予模型中的生物体全身再生的能力。有趣的是,与其他图形类型相比,大多数树型谱系包含很少的多能细胞。

虽然包括人类在内的哺乳动物尤其不擅长再生受损部位,但蠕虫和九头蛇等许多动物在这种能力方面却异常出色。事实上,全身再生在多细胞动物生命树中广泛发生,因此有人假设全身再生可能是生物发育本身的附带现象。在这个非常简化的模型中出现多能性的事实表明,由于发展过程本身,这种特性确实很可能出现,并且不需要特殊的额外组件来将其放置到位。

除了这些结果,预计该模型的框架可用于研究发展的更多方面。该生成模型简单且模块化,可以轻松扩展以探索本研究未包括的重要过程,例如细胞空间排列的影响和细胞死亡的影响。研究人员进一步描述了一些可能的现实生活实验,以测试他们的数学模型所做的一些预测。希望该模型的框架将被证明有助于揭示发育的新特征,这可能对发育生物学和再生医学具有广泛的影响。

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