研究星系结构而开发的算法有助于解释胚胎发育的关键特征

随着胚胎的发展，它们遵循预定的组织折叠模式，因此同一物种的个体最终会拥有几乎相同形状的器官和非常相似的身体形状。麻省理工学院的科学家现在已经发现了胚胎组织的关键特征，这有助于解释每次如何如此忠实地执行此过程。在对果蝇的研究中，他们发现组织折叠的可重复性是由像渔网一样连接的蛋白质网络产生的，创造了许多可供组织用来正确折叠的途径。

麻省理工学院生物学副教授，该研究的资深作者亚当·马丁说：“我们发现网络中存在很多冗余。” “这些细胞正在机械地相互作用并相互连接，但是您看不到单个细胞起着非常重要的作用。这意味着，如果一个细胞受损，其他细胞仍然可以连接到组织的不同部分。”

为了揭示这些网络特征，马丁与麻省理工学院物理应用数学副教授，论文的作者约恩·邓克尔(JörnDunkel)合作，应用了天文学家通常使用的算法来研究星系的结构。

麻省理工学院的博士后汉娜·叶维克(Hannah Yevick)是这项研究的主要作者，该研究今天发表在《发育细胞》上。研究生皮尔森·米勒(Pearson Miller)也是该论文的作者。

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在胚胎发育过程中，组织通过称为形态发生的过程改变其形状。组织改变形状的一种重要方法是折叠，这使平板状的胚细胞变成管子，并成为器官和其他身体部位的其他重要形状。以前对果蝇的研究表明，即使这些胚胎细胞中的一些受到破坏，薄片仍可以折叠成正确的形状。

马丁说：“这是一个相当可重复的过程，所以我们想知道是什么使它如此强大。”

在这项研究中，研究人员专注于胃造胃的过程，在此过程中，胚胎从单层球体重组为更复杂的多层结构。该过程以及与果蝇组织折叠相似的其他形态发生过程也发生在人类胚胎中。参与胃泌乳的胚胎细胞在其细胞质中包含称为肌球蛋白和肌动蛋白的蛋白质，它们形成电缆并在细胞之间的连接处连接，从而形成跨组织的网络。Martin和Yevick曾假设细胞连通性网络可能在组织折叠的鲁棒性中起作用，但是直到现在，还没有追踪网络连接的好方法。

为此，马丁的实验室与邓克尔(Dunkel)合作，他研究了软表面和流动物质的物理原理，例如皱纹的形成和细菌流的形成。在这项研究中，Dunkel提出了一种应用数学程序的想法，该程序可以识别三维结构的拓扑特征，类似于景观中的山脊和山谷。天文学家使用这种算法来识别星系，在这种情况下，研究人员使用它来追踪组织薄片中细胞之间以及细胞之间的放线菌素网络。

邓克尔说：“一旦有了网络，就可以应用网络分析中的标准方法，这与应用于街道或其他运输网络，血液循环网络或任何其他形式的网络的分析方法相同。”

除其他外，这种分析可以揭示网络的结构以及信息沿网络的流动效率。一个重要的问题是，如果网络的一部分受到损坏或阻塞，网络的适应能力如何。MIT小组发现放线菌素网络包含大量冗余-也就是说，网络的大多数“节点”都连接到许多其他节点。

这种内置的冗余类似于良好的公共交通系统，在该系统中，如果一条公共汽车或火车线路出现故障，您仍然可以到达目的地。因为细胞可以沿着许多不同的途径产生机械张力，所以即使网络中的许多细胞受到破坏，它们也可以以正确的方式折叠。

“如果您和我拿着一根绳子，然后我们在中间将其剪断，它将分开。但是，如果您有网并在某些地方剪断，它仍然保持全局连通并可以传递力，因为只要您不将其全部删掉，”邓克尔说。

折叠框架

研究人员还发现，细胞之间的连接会优先组织自己，使其方向与折叠初期形成的犁沟相同。

马丁说：“我们认为这是在建立一个框架，纸巾将围绕该框架成形。” “如果阻止连接的方向性，则发生的情况是您仍然可以折叠，但会沿错误的轴折叠。”

尽管这项研究是在果蝇中进行的，但是在神经管的形成过程中，脊椎动物(包括人)也会发生类似的折叠，而神经管是大脑和脊髓的前身。马丁现在计划应用他在果蝇中使用的技术，以观察放线菌素网络在小鼠神经管中的组织方式是否相同。神经管闭合的缺陷可能导致出生缺陷，例如脊柱裂。

马丁说：“我们想了解问题出在哪里。” “尚不清楚是管子的密封问题还是折叠过程中是否存在缺陷。”

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