科学家揭示了组织中分支模式的美丽简洁

在关于支撑自然的物理和数学原理的开创性论文发表一百周年 - 关于生长和形式由D'Arcy Wentworth Thompson - 一位剑桥物理学家领导了一项研究，描述了一个优雅简单的解决方案，对生物学家征税几个世纪以来：组织分支模式的复杂程度如何。

分枝模式在整个自然界中发生 - 例如在树木，蕨类植物和珊瑚中 - 但也在更精细的范围内，它们对于确保生物体通过最大化可用表面积有效地与环境交换气体和流体是必不可少的。

例如，在小肠中，上皮组织排列成指状突起的阵列。在其他器官中，例如肾，肺，乳腺，胰腺和前列腺，交换表面有效地包裹在复杂的分支上皮结构周围。

“从表面上看，这些结构如何生长的问题 - 可能包含多达30或40代分支的结构 - 似乎非常复杂，”领导该研究的Ben Simons教授今天发表在“细胞”杂志上。Simons教授在剑桥大学卡文迪什实验室和Wellcome Trust / Cancer Research UK Gurdon Institute担任职务。

这种经典的“分枝形态发生”问题几个世纪以来一直引起科学家和数学家的关注。事实上，形态发生的数学基础 - 导致生物体形成的生物过程 - 是D'Arcy Wentworth Thompson的经典文本的主题，由剑桥大学出版社于1917年出版。汤普森曾是剑桥大学的学生，在三一学院学习动物学，并曾短暂地担任过生理学的初级示范者。

在发育过程中，分支结构由干细胞样细胞协调，这些细胞驱动导管生长和分裂(或“分叉”)过程。然后，每个后续分支将停止增长，或者继续再次分支。在今年早些时候在Nature发表的一项研究中，Simons教授与Uttrecht的Hubrecht研究所的Jacco van Rheenen博士合作表明，在乳腺中，这些分裂和终止过程是随机发生的，但概率几乎相等。

西蒙斯教授说：“虽然有一个涉及多种不同干细胞类型的集体决策过程，但我们发现生长几乎只是在硬币上发生，这表明可能有一个非常简单的规则支撑它。”

Simons教授和他的同事Edouard Hannezo博士观察到，树枝的交叉很少 - 管道似乎扩展到填充空间，但没有重叠。这导致他们猜测管道正在生长和分裂，但是一旦尖端接触到另一个分支，它就会停止。

“通过这种方式，您可以通过最简单的本地指令生成一个完美的空间填充网络，恰好是观察到的统计组织：当您遇到成熟的管道时，您会分支并停下来，”亨利·威尔康爵士博士后研究员Hannezo博士说。总部设在Gurdon Institute。“这对基础生物学有着巨大的影响。它告诉你，复杂的分支上皮结构发展成一个自组织的过程，依赖于一个非常简单但通用的规则，而不依赖于一个严格的，预先确定的基因编程序列事件“。

虽然这些观察结果是基于乳腺上皮，但是使用哥伦比亚大学Rosemary Sampogna博士，剑桥大学Anna Philpott教授和纽卡斯尔大学Rakesh Heer博士的原始数据，研究人员能够证明相同的规则控制着胚胎发育。小鼠肾脏，胰腺和人类前列腺。

“在乳腺中，你有一百个或更多命运限制的干细胞样细胞参与这个分叉 - 生长 - 分叉过程，而在胰腺中它只是少数;但基本的动力学是相同的，”西蒙斯教授说。 。“该模型美观，因为规则非常简单，但它们能够预测这些结构的复杂分支模式。”

研究人员表示，他们的发现可能为乳腺癌和胰腺癌的发展提供见解，其中疾病的早期阶段通常表现出不规则的缠绕导管样组织。

“On Growth and Form发表一个世纪后，令人兴奋的是看到自组织和出现的概念如何继续为生物系统的发展提供新观点，构建关于在细胞和分子上运作的调节机制的新问题规模，“西蒙斯教授补充道。

虽然现在判断类似规则是否适用于其他分支组织和生物可能为时尚早，但有一些有趣的相似之处：树木中的分枝似乎遵循相似的模式，例如，侧枝生长和分叉直到它们被遮挡或直到它们为止被另一个分支筛选，此时他们就停止了。

该研究由Wellcome Trust资助，并得到英国癌症研究中心和医学研究委员会的额外核心支持。

来自Wellcome的细胞与发育科学团队的Sheny Chen博士说：“这是一项优雅的研究，可以帮助我们理解指导细胞在基本发育过程中所做出的决定。看到这样简单的规则可以控制这样的生成是很有意思的。高度复杂的模式，这些规则可以适用于不同的分支结构。“