Naarmate embryo's zich ontwikkelen, ze volgen vooraf bepaalde patronen van weefselvouwing, zodat individuen van dezelfde soort eindigen met bijna identiek gevormde organen en zeer vergelijkbare lichaamsvormen.

MIT-wetenschappers hebben nu een belangrijk kenmerk van embryonaal weefsel ontdekt dat helpt verklaren hoe dit proces elke keer zo getrouw wordt uitgevoerd. In een onderzoek naar fruitvliegen, ze ontdekten dat de reproduceerbaarheid van weefselvouwing wordt gegenereerd door een netwerk van eiwitten die als een visnet met elkaar verbonden zijn, het creëren van veel alternatieve paden die weefsels kunnen gebruiken om op de juiste manier te vouwen.

"Wat we ontdekten, is dat er veel redundantie in het netwerk is, " zegt Adam Martin, een MIT universitair hoofddocent biologie en de senior auteur van de studie. "De cellen zijn mechanisch met elkaar in wisselwerking en verbinden zich met elkaar, maar je ziet niet dat individuele cellen een uiterst belangrijke rol spelen. Dit betekent dat als een cel beschadigd raakt, andere cellen kunnen nog steeds verbinding maken met ongelijksoortige delen van het weefsel."

Om deze netwerkfuncties te ontdekken, Martin werkte samen met Jörn Dunkel, een MIT universitair hoofddocent fysische toegepaste wiskunde en een auteur van het artikel, een algoritme toepassen dat normaal door astronomen wordt gebruikt om de structuur van sterrenstelsels te bestuderen.

Hanna Yevick, een MIT-postdoc, is de hoofdauteur van de studie, die vandaag verschijnt in Ontwikkelingscel . Afgestudeerde student Pearson Miller is ook een auteur van het artikel.

Een vangnet

Tijdens de embryonale ontwikkeling, weefsels veranderen hun vorm door een proces dat bekend staat als morfogenese. Een belangrijke manier waarop weefsels van vorm veranderen, is door te vouwen, waardoor platte vellen embryonale cellen buizen en andere belangrijke vormen voor organen en andere lichaamsdelen kunnen worden. Eerdere studies bij fruitvliegen hebben aangetoond dat zelfs wanneer sommige van deze embryonale cellen beschadigd zijn, vellen kunnen nog steeds in hun juiste vorm vouwen.

"Dit is een proces dat redelijk reproduceerbaar is, en dus wilden we weten wat het zo robuust maakt, "zegt Martijn.

In dit onderzoek, de onderzoekers concentreerden zich op het proces van gastrulatie, waarbij het embryo wordt gereorganiseerd van een bol met één laag naar een meer complexe structuur met meerdere lagen. Dit proces, en andere morfogenetische processen vergelijkbaar met het vouwen van fruitvliegweefsel, komen ook voor in menselijke embryo's. De embryonale cellen die betrokken zijn bij gastrulatie bevatten in hun cytoplasma eiwitten genaamd myosine en actine, die kabels vormen en op kruispunten tussen cellen aansluiten om een ​​netwerk over het weefsel te vormen. Martin en Yevick hadden de hypothese geopperd dat het netwerk van celconnectiviteit een rol zou kunnen spelen in de robuustheid van de weefselvouwing, maar tot nu toe, er was geen goede manier om de verbindingen van het netwerk te traceren.

Om dat te bereiken, Martin's lab bundelde de krachten met Dunkel, die de fysica van zachte oppervlakken en stromende materie bestudeert, bijvoorbeeld, rimpelvorming en patronen van bacteriële stroming. Voor deze studie is Dunkel had het idee om een ​​wiskundige procedure toe te passen die topologische kenmerken van een driedimensionale structuur kan identificeren, analoog aan richels en dalen in een landschap. Astronomen gebruiken dit algoritme om sterrenstelsels te identificeren, en in dit geval de onderzoekers gebruikten het om de actomyosinenetwerken over en tussen de cellen in een weefsellaag te traceren.

"Als je eenmaal het netwerk hebt, u kunt standaardmethoden uit netwerkanalyse toepassen - hetzelfde soort analyse dat u zou toepassen op straten of andere vervoersnetwerken, of het bloedcirculatienetwerk, of een andere vorm van netwerk, ' zegt Dunkel.

Onder andere, dit soort analyse kan de structuur van het netwerk onthullen en hoe efficiënt de informatie er langs stroomt. Een belangrijke vraag is hoe goed een netwerk zich aanpast als een deel ervan beschadigd of geblokkeerd raakt. Het MIT-team ontdekte dat het actomyosine-netwerk veel redundantie bevat, dat wil zeggen:de meeste "knooppunten" van het netwerk zijn verbonden met veel andere knooppunten.

Deze ingebouwde redundantie is analoog aan een goed openbaar vervoersysteem, waar als een bus- of treinlijn uitvalt, je kunt nog steeds op je bestemming komen. Omdat cellen mechanische spanning kunnen genereren langs veel verschillende paden, ze kunnen op de juiste manier vouwen, zelfs als veel van de cellen in het netwerk beschadigd zijn.

"Als jij en ik een enkel touw vasthouden, en dan snijden we het in het midden, het zou uit elkaar vallen. Maar als je een net hebt, en snijd het op sommige plaatsen, het blijft nog steeds wereldwijd verbonden en kan krachten overbrengen, zolang je niet alles snijdt, ' zegt Dunkel.

Vouwraam

De onderzoekers ontdekten ook dat de verbindingen tussen cellen zich bij voorkeur organiseren om in dezelfde richting te lopen als de groef die zich in de vroege stadia van het vouwen vormt.

"We denken dat dit het opzetten van een frame is waaromheen het weefsel zijn vorm zal aannemen, " zegt Martin. "Als je de gerichtheid van de verbindingen verhindert, wat er dan gebeurt, is dat je nog steeds kunt vouwen, maar het zal langs de verkeerde as vouwen."

Hoewel deze studie werd gedaan bij fruitvliegen, similar folding occurs in vertebrates (including humans) during the formation of the neural tube, which is the precursor to the brain and spinal cord. Martin now plans to apply the techniques he used in fruit flies to see if the actomyosin network is organized the same way in the neural tube of mice. Defects in the closure of the neural tube can lead to birth defects such as spina bifida.

"We would like to understand how it goes wrong, " Martin says. "It's still not clear whether it's the sealing up of the tube that's problematic or whether there are defects in the folding process."