배아의 세포의 경우 크기는 운명을 결정할 수 있습니다

개발 배아는 세밀하게 조정 된 기계입니다. 세포는 무엇을 해야하는지, 언제 해야하는지 알고 있습니다. 그들은 자라거나 축소하고, 휴면 상태를 나누거나, 먼 침입자를 찾기 위해 혈류를 통해 상처를 입히거나 혈류를 맺는 것을 알고 있습니다. 그리고 그들은 중앙 지휘관이나 주변 환경의 객관적인지도없이 모든 것을 수행하는 것을 알고 있습니다.

대신, 세포는 어디로 가야하고 무엇이 될지 정확하게 계산하기위한 자신의 전략을 고안해야합니다. 이러한 계산은 진정한 신호의 칵테일에 달려 있으며, 그 중 일부는 화학 및 전기 그라디언트, 유전자 네트워크의 활동, 분자의 확산 분야 사이의 중복 패턴입니다.

그러나 최근 전문가들은 종종 간과하는 요인들에주의를 기울이기 시작했습니다. Nature Physics 에 오늘 출판 된 새로운 작품에서 , 한 연구 팀은 Roundworm의 초기 발달 중에 Caenorhabditis elegans , 배아 세포의 크기에 기초한 메커니즘은 결국 생산할 성숙한 조직의 유형을 결정하는 데 도움이됩니다.

세포를 비대칭 적으로 또는 대칭 적으로 나누는 생화학 적 과정을 조사하는 동안, 과학자들은 크기가 지배 요소, 즉 세포의 크기가 한 종류의 분열이나 다른 종류로 이어지는 패턴을 지시한다는 것을 발견했습니다. 연구에 참여하지 않은 영국의 존 이네스 센터 (John Innes Center)의 계산 생물 학자 인 마틴 하워드 (Martin Howard)는“생물학은 실제로이 사실을 활용하고있다. 이 경우, 세포는 크기에 타고난 제약을 사용하여 나중에 벌레의 성 세포를 야기하는 계보를 지정했습니다. 그러나 더 광범위하게도, 그 발견은 또한 줄기 세포의 행동과 다른 발달 시스템의 작동에서 물리적 신호의 역할의 가능성을 지적합니다.

부러진 대칭

우주가 대칭의 파손에서 태어난 것처럼 지구에 거주하는 각 동물과 식물도 마찬가지입니다. 초기 배아 발달 동안, 세포는 적어도 하나의 비대칭 분할과 때로는 몇 가지를 겪습니다. 이들은 크기와 운명이 다른 딸 세포를 생성하여 다양한 별개의 세포 유형의 후기 사양을위한 기초를 세웁니다. 이 신진 계보를 강화하고 새로운 계보 생성을 중단하려면 셀은 기어를 이동하고 대칭 적으로 나누기 시작해야합니다.

예를 들어, 벌레 배아가 여전히 단일 세포 인 경우, 외막의 단백질은 세포에 분할 할 위치를 알려주는 2 개의 고르지 않은 음과 양과 같은 도메인을 생성합니다. 비대칭 세포 분열을 지정하는 시스템을 극성이라고합니다. (P 혈통이라고도 함)는 극성을 사용하여 비대칭 적으로 4 번 나누어줍니다. 다섯 번째 분열은 대칭이며 계란과 정자 세포를 담당하는 생식선을 영구적으로 확립합니다.

이 편광 시스템은 반점이나 줄무늬의 형성을 안내 할 수있는 메커니즘에 대한 튜링 패턴 모델과 유사합니다. 예를 들어, 하나의 활성화 제 분자는 피부 조직을 통해 확산되고 안료의 생성을 자극하는 반면, 억제제 분자는 주변 영역에서 색소 침착을 억제하기 때문에 표지판에 반점이 형성 될 수있다. 따라서 스팟의 크기와 분포는 각 분자가 얼마나 빨리 확산되는지와 같은 운동 요인에 달려 있습니다.

그것이 극성으로도 일어나는 일입니다. 서로를 배제하는 두 단백질은 세포의 반대쪽 끝에서 세포막에서 활성화되어 하나가있는 곳에 다른 곳은 확산 될 수 없습니다. 그들은 다른 속도로 움직이며, 두 비대칭 영역 사이의 경계에서 셀은 분열됩니다. 한 딸은 P 혈통의 일부로 남아 있고 다른 딸은 다른 운명으로 향합니다. 튜링 패턴과 마찬가지로 시스템은 크기와 단백질이 얼마나 빨리 퍼져 있는지에 대한 신중한 균형을 맞추기 때문에 작동합니다.

런던의 프랜시스 크릭 연구소 (Francis Crick Institute)의 분자 생물 학자 인 나단 고아 링 (Nathan Goehring)은 그 균형을 조사하고 싶었다. 그와 그의 동료들은 이전에 출판 된 편광 모델을 가지고 놀면서 이론적 세포를 더 크거나 작게 만들 때 어떤 일이 일어날 지 테스트했습니다. 그들의 시뮬레이션은 세포가 너무 커지면 두 개 이상의 단백질 도메인이 나타나 극성의 손실을 초래할 것임을 나타냅니다.

더 흥미로운 결과는 세포가 너무 작아서 하나의 도메인만이 지배적이어서 막을 가로 질러 균일하게 확산되었다는 것입니다. 다시 말하지만, 이번에는 극성이 고장 났고, 이번에는 대칭 분할이 유일한 옵션으로 남겨졌습니다. 그 일이 발생한 임계 세포 둘레는 약 41 미크론입니다.

Goehring에게 그 수치는 친숙해 보였습니다. 초기 c. 엘레 간스 배아, 세포는 분열 사이에 자라지 않으므로 분열이 줄어들면서 점점 작아집니다. 41 미크론은 P 계통에서 비대칭 적으로 나누기 위해 마지막 세포의 크기와 현저하게 유사 하였다. 그 세포의 딸들이 단순히 극화하기에는 너무 작았을 수 있습니다. 그 크기는 대칭 분열로의 전환과 운명의 지정의 결정 요인 이었습니까?

비늘과 통치자

알아 내기 위해 과학자들은 정상 배아와 크기가 유 전적으로 조작 된 배아에서. 예상 한 바와 같이, 세포가 커지거나 작아도 단백질의 확산 속도와 다른 특성은 변하지 않았습니다. 대신, 패턴 시스템은 고유 한 내재적 스케일을 가졌으며, 이는 셀의 전체 크기에 적응하지 않은 고유 한 척도를 가졌다.

초기 배아의 크기를 제어함으로써, 팀은 P 계통 셀에 대한 최소 크기 임계 값이 있음을 보여줄 수 있었으며,이 아래는 편광 패턴을 설정할 수 없었습니다. 이 작은 세포는 4 개가 아닌 3 개의 세포 분열 후에 편광 능력을 상실했습니다. Goehring은“배아의 크기를 조작함으로써, 우리는 정상적으로 분극을 분극하고 비대칭 적으로 분열하고 대칭 적으로 분열하지 않는 세포로 바꿀 수있는 세포를 가져 갔다”고 Goehring은 말했다.

더욱이, 이전의 연구의 말에 따르면 다른 두 벌레 종은 그들의 혈압에 하나의 비대칭 분할을 가지고 있음이 밝혀졌다. 그들의 prineage 세포는 초기 c의 셀보다 더 크게 시작하고 더 크게 유지되는 경향이있다. 엘레 간스 Goehring의 이론에 따라 배아. 그 종에서 동일한 메커니즘이 진정으로 작동하는지 여부는 여전히 테스트되어야하지만 우연의 일치처럼 보이지 않습니다.

세포는 생식 세포가 될지 여부를 결정하기 위해 패턴 화 과정의 고유 한계를 이용하도록 진화 한 것처럼 보인다. Howard는“[생식 세포의 사양은 패터닝 시스템의 일종의 자체 조직 특성입니다.

이 연구에 관여하지 않은 싱가포르 국립 대학의 기계 생물학 연구소의 생물 물리학자인 티모시 손더스 (Timothy Saunders)는이 시스템에 대해 생각하는“진정으로 흥미로운”방법이라고 말했다. "이 아이디어는 단순히 단순히 물건을 작게 만들면 자연스럽게 분할 유형을 전환 할 수 있다는 것이 매우 깔끔합니다."

새로운 관점

이러한 발견은 과학자들이 유전학만을 포함하기 위해 생물학적 시스템을 제어하는 ​​것에 대한 견해를 넓힐 때 발생합니다. Saunders는“유전자는 진공 상태에서 존재하지 않습니다. "그리고 우리는 세포 운명에 대한 결정을 포함하여 이러한 유전자가 작동하는 기계적 환경을 점점 더 깨닫고 있습니다.

예를 들어, 연구자들은 암 세포가 주변 조직의 강성 및 기타 환경 적 요인에 반응한다는 것을 발견했습니다. 줄기 세포는 특정 물리적 힘에 노출 될 때 행동과 운명을 변화 시키도록 유도 될 수 있습니다. 오가 노이드라는 조직의 자체 조직 모델은 평평한 접시에서 제대로 자랄 수 없습니다. Goehring은“우리의 데이터는 물리적 환경이 중요하고 세포가 이러한 것들을 측정하고 있다는 아이디어에 잘 맞는다 고 생각합니다. "이 경우… 셀은 크기를 감지하고 있습니다."

이 연구는 특정 종의 특정 단계에서 특정 세포 계통에 초점을 맞추었지만“이것은보다 일반적인 공명을 가질 수있는 것”이라고 하워드는 말했다. P 혈압의 극성 네트워크는 인간을 포함한 동물 종들 사이에서 강력하게 보존됩니다. 그러나 포유 동물 세포는“좋은 깨끗한 토폴로지”가 없기 때문에 Saunders에 따르면 이는 특히 공부하기가 어려울 것입니다.

각 분할마다 더 작아지는 세포를 포함하는 다른 프로세스는 크기를 사용하여 운명에 대한 결정을 내릴 수 있습니다. 예를 들어 파리와 특정 식물 세포의 신경 줄기 세포는 각 분할이 완전히 나누기를 멈출 때까지 각 분열에 수축합니다. Goehring은“우리는 이러한 시스템에 엄격한 크기의 센서가 있다는 것을 알지 못하지만 운명에 크기 의존적 스위치가있을 수 있다는 아이디어와 일치합니다.”

포유 동물 장의 줄기 세포에 대해서도 마찬가지이며, 공간적으로 제한된 크리트가 빠르게 나뉩니다. 그들은 비대칭 적으로 (하나의 줄기 세포와 하나의 특수 세포로) 또는 대칭 적으로 (2 개의 줄기 세포 또는 2 개의 특수 세포로) 나누는시기를 선택해야합니다. 그 선택은 유기체에서 줄기 세포 집단을 유지하는 데 중요합니다. 그리고 그것이 어떻게 만들어 지는지 항상 명확하지는 않습니다.

아마도 셀 크기는 다시 한 번 역할을 할 것입니다. Goehring은“그 아이디어가 보편적 일 것이라고 생각합니다.

이미 그 힌트가 있습니다. 세포는 점차 고갈 된 빌딩 블록의 제한 풀로 세포질을 사용함으로써 특정 비율로 특정 수의 소기관을 구축하는 것으로 보인다. 그리고 발달 세포에 출판 된 논문에서 6 월에 한 연구 팀은 배아의 게놈이 수정 후 어떻게 활성화되는지에 대한 모델을 제안했습니다. 그들의 작업에 따르면, 세포가 특정 크기 임계 값에 도달 한 후에 만 ​​발생합니다. 초기 개구리 배아가 분열되면 세포가 작아지고 DNA에 비해 세포질이 적습니다. 특정 유형의 DNA- 응축 단백질의 농도가 감소함에 따라, 전사가 켜질 때까지 점점 더 많은 게놈을 발현 할 수있는 게놈을 해방시켜줍니다.