果蝇如何得到它的条纹 研究人员探索了胚胎发育的精确性

生命的最初时刻以令人难以置信的精确度展开。现在，利用数学工具和果蝇的帮助，普林斯顿大学的研究人员发现了关于这种精确度背后机制的新发现。

在Cell杂志上发表的一项新研究中，研究小组表明，细胞通过优化遗传密码中所有可用信息的使用来确定它们需要的确切位置，从而确定它们将成为什么样的身体部位。这种优化允许每个单元格将自己定位在一个单元格的应有位置的宽度内，而不是产生以后纠正的错误。

该研究还表明，复杂的生物系统可以根据数学上最优的过程进行操作。该团队能够预测细胞在胚胎长度上的实际位置的1%以内，表明可以从理论原理计算和预测生物学行为。

物理学和Lewis-Sigler研究所副教授托马斯·格雷戈尔说：“在果蝇发育的最早阶段，存在并利用指定精确细胞位置所需的信息 - 以及它们将成为什么样的身体部位”。用于整合基因组学。“这与人们普遍认为细胞的位置随时间缓慢提炼形成鲜明对比。”

“理论上的想法非常简单，即每个细胞都在使用它可以从相关基因中挤出的所有信息，”William Bialek说，John Archibald Wheeler / Battelle物理学教授和Lewis-Sigler综合研究所基因组学。“我们已经知道了一段时间，但永远不会惊讶的是，整个系统非常精确，而这正是促使我们相信细胞正在使用他们所能获得的所有信息的原因。”

细胞从基因中获取线索，或者更具体地说，从这些基因产生的蛋白质分子中获取线索。但是细胞是否会使用所有信息在第一时间完成所有事情?或者系统是否混乱，在对胚胎造成不可挽回的伤害之前修复了错误?

问题恰恰是生物学家和物理学家团队自21世纪初以来一直在共同努力解决的大局问题。

感谢团队成员Eric Wieschaus先生的工作，分子生物学的Squibb教授和分子生物学教授以及Lewis-Sigler综合基因组学研究所，科学家确切地知道哪些基因和分子参与了在胚胎上创建标记片段的条纹。蝇幼虫。如果出现任何问题，条纹形成在错误的地方或根本不形成。

“该实验定义了第一个真正定量的衡量细胞可用于关键发育决策的信息量以及他们实际使用的信息量，”Wieschaus说，他是霍华德休斯医学研究所的研究员并获得1995年诺贝尔生理学奖。或医学从事早期胚胎发育的遗传控制工作。

“这为我们提供了一个神奇的工具，可以帮助我们了解生物学决策的实际效果，从蛋白质结合DNA的方式到新的生物学途径如何在进化过程中产生和竞争等方面都很有用，”他说。

Mariela Petkova是这项研究的共同第一作者，当她接受细胞利用遗传和分子信息如何找到它们的位置和命运的问题时，她是Gregor实验室的一名本科生。

“我们认真地认识到，在发育中的胚胎细胞需要”知道“它们的位置，以便做出正确的发育决策，”Petkova，2012年的类别说。“可以想象细胞作为GPS装置，而不是卫星信号收集分子来确定它们的位置。我们能够解释这些分子信号如何指定早期飞胚胎长度的位置。“

科学家们早就知道，条纹是由一系列步骤形成的，这些步骤始于苍蝇母亲，她们将每种鸡蛋塞入由三种不同信号分子构建的指令集中。

这些信号分子通过胚胎的身体传播，形成浓度梯度，激活四个所谓的“间隙”基因。这些基因的表达产生蛋白质分子，这些蛋白质分子作用于被称为增强子的DNA片段，以驱动“配对规则”基因产生条纹图案。

Petkova详细测量了间隙基因表达以及沿着长体轴在细胞中产生的分子的确切数量。她作为高级论文的一部分开始研究，然后推迟到研究生院学习一年，继续从事该项目。她在哈佛大学生物物理学研究生课程学习期间完成了这项工作。

通过这些测量，团队的理论物理部分能够模拟细胞如何使用信息来找到它们在胚胎中的位置。该团队包括共同第一作者GašperTkačik，他获得了博士学位。2007年在普林斯顿大学物理系，现在是奥地利科学技术研究所的一名教员。

细胞可以通过多种方式使用分子中编码的信息。但研究人员选择假设胚胎利用分子中编码的所有可用信息。他们称之为“最佳解码方法”。

根据这一假设，Tkačik和Bialek使用相对简单的数学方法来预测条纹的形成位置。然后，研究小组将预测结果与间隙分子的实际测量值进行了比较，发现他们已经准确预测了条纹的位置。

真正的证据来自于Petkova研究了果蝇产生的卵，这些果蝇在编码级联起始的母体信号分子的基因中具有突变。该团队精确地预测了各种基因突变如何改变条纹图案 - 例如通过使一些条纹消失或形成在错误的位置。

“我们利用遗传操作来改变间隙基因模式，并'欺骗'细胞进入'思考'，它们就是胚胎长度的其他部分，”Petkova说。“我们通过我们的解码器和构建的解码图将这些混洗模式放在一起，它们告诉我们细胞在哪里与他们认为的位置相比。使用这些图谱我们预测了胚胎在哪里形成条纹。当我们在显微镜下观察这些突变胚胎时我们实际上在预测的位置找到了条纹!这非常令人满意。“

这组作者说，这项研究得出的问题是，是否有可能从理论原则出发对生物系统做出有力的预测。

“这一发现让我们理论家们希望我们在生物学方面的工作不会永远降级为从数据中拟合模型，而是实际预测和定量理解为什么进化会出现某些解决方案，”Tkačik说。“至少在一些例子中，这可以为生物学提供'预测理论' - 这是未来工作的极好动力。”

Bialek补充说：“现代物理学的一个标志是，一般的理论原理可以与精确定量细节的实验联系起来，”他说。“长期以来很难想象这种理论 - 生物系统物理学中的实验相互作用 - 生物似乎过于复杂，太混乱。这项工作是我见过的理论 - 实验比较中最有力的例子之一。我一直希望我们达到这个水平，但我不知道什么时候会发生。“

Wieschaus补充说：“大多数科学家倾向于认为生物过程本质上是草率的，细胞通过多个纠正步骤和复杂的交互网络实现精确。这些过程肯定存在。然而，令我惊讶的是，信息的准确性和可重现性如何在开发的一个步骤中，一旦有了这些信息，进化和自然选择如何促使细胞最大限度地有效利用这些信息。“

果蝇(Drosophila melanogaster)经常被用来学习生物学的一般原理，这些原理可能适用于更复杂的生物，如人类。格雷戈尔说，除果蝇以外的其他生物是否坚持这种信息的最佳利用还有待观察。

“这项研究让我们看看遗传网络如何编码信息，网络如何协同工作，以及他们如何进行计算，”格雷戈尔说。“生物学中有各种各样的遗传网络，所以这肯定是进一步探索的一个丰富领域。”

这项工作部分得到美国国家科学基金会资助PHY-1607612，CCF-0939370(信息科学中心)和PHY-1734030(生物功能物理中心)的支持;由美国国立卫生研究院授予P50GM071508，R01GM077599和R01GM097275;由奥地利科学基金拨款FWF P28844;以及霍华德休斯医学研究所国际预科奖学金。