Forscher finden heraus, wie unsere Organe wissen, wann sie mit dem Wachstum aufhören müssen

Der kleinste Fisch der Welt, der Paedocypris, misst nur 7 Millimeter. Es ist nichts im Vergleich zu den 30 Fuß des Walhais. Der winzige Fisch hat viele der gleichen Gene und dieselbe Anatomie wie der Hai, aber die Rücken- und Schwanzflossen, Kiemen, Magen und Herz sind tausendmal kleiner! Wie können die Organe und das Gewebe dieses Miniaturfisches im Gegensatz zu denen seines riesigen Cousins ​​sehr schnell aufhören zu wachsen? Ein multidisziplinäres Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Genf (UNIGE), Schweiz, und des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme (MPIPKS), Deutschland, konnte diese grundlegende Frage durch das Studium der Physik und die Verwendung mathematischer Gleichungen beantworten. wie aus ihrer in der Zeitschrift veröffentlichten Arbeit hervorgeht Natur.

Die Zellen eines sich entwickelnden Gewebes proliferieren und organisieren sich unter der Wirkung von Signalmolekülen, den Morphogenen. Aber woher wissen sie, welche Größe für den lebenden Organismus, zu dem sie gehören, geeignet ist? Die Forschungsgruppen von Marcos Gonzalez-Gaitan, Professor am Lehrstuhl für Biochemie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Frank Jülicher Direktor am MPIPKS in Dresden, haben dieses Rätsel gelöst, indem sie ein bestimmtes Morphogen in Zellen von Geweben unterschiedlicher Größe in der Frucht verfolgt haben fliegen Drosophila.

Bei Drosophila diffundiert das Decapentaplegic Morphogen (DPP), ein Molekül, das für die Bildung der fünfzehn Anhängsel (Deca-Penta) (Flügel, Antennen, Mandibeln usw.) notwendig ist, aus einer Quelle im sich entwickelnden Gewebe und bildet dann abnehmende Konzentrationsgradienten (oder allmähliche Variationen), wenn es sich von der Quelle entfernt. In früheren Studien zeigte die Gruppe von Marcos Gonzalez-Gaitan in Zusammenarbeit mit dem deutschen Team, dass sich diese Konzentrationsgradienten von DPP je nach Größe des sich entwickelnden Gewebes über einen größeren oder kleineren Bereich erstrecken. Je kleiner also ein Gewebe ist, desto geringer ist die Ausbreitung des DPP-Gradienten von seiner Streuquelle. Andererseits ist die Ausbreitung des DPP-Morphogen-Gradienten umso größer, je größer ein Gewebe ist. Es blieb jedoch die Frage, wie sich dieser Konzentrationsgradient an die zunehmende Größe des zukünftigen Gewebes/Organs anpasst.

Ein multidisziplinärer Ansatz zur Lösung einer biologischen Frage

Der ursprüngliche Ansatz meines Teams, das sich aus Biologen, Biochemikern, Mathematikern und Physikern zusammensetzt, besteht darin, zu analysieren, was auf der Ebene jeder Zelle passiert, anstatt unsere Beobachtungen auf Gewebeebene zu platzieren.“

Marcos Gonzalez-Gaitan

„Der zentrale Punkt ist, lebende Materie so zu behandeln, als wäre sie nur Materie, also Biologie mit den Prinzipien der Physik zu studieren“, erklärt Frank Jülicher. Die beiden Teams haben eine Reihe ausgeklügelter Werkzeuge entwickelt, um mit quantitativen Mikroskopietechniken das Schicksal des DPP-Moleküls in und zwischen Zellen eines Gewebes mit hoher Präzision zu verfolgen. „Diese Werkzeuge haben es uns ermöglicht, eine Vielzahl von Parametern für dieses Morphogen zu definieren, die mit zellulären Prozessen verbunden sind. Wir haben beispielsweise die Effizienz gemessen, mit der es sich an Zellen anlagert, in das Innere von Zellen eindringt, von der Zelle abgebaut oder recycelt wird, bevor es diffundiert. zurück zu anderen Zellen. Zusammenfassend haben wir alle wichtigen Transportschritte von DPP gemessen“, erklärt Maria Romanova Michailidi, Senior Researcher in der Abteilung Biochemie und Erstautorin dieser Studie.

Der Skalierungsmechanismus erklärt durch eine mathematische Gleichung

Die Wissenschaftler sammelten all diese Daten über DPP in Zellen, die zu Geweben unterschiedlicher Größe in normalen Fliegen und in Mutanten, die sich nicht entwickeln konnten, gehören. Sie fanden heraus, dass es diese unterschiedlichen einzelnen Transportschritte sind, die das Ausmaß des Gradienten bestimmen. Somit breitet sich das DPP-Molekül in einem kleinen Gewebe hauptsächlich durch Diffusion zwischen Zellen aus. Seine Konzentration fällt daher aufgrund des Abbaus um seine Quelle herum ziemlich schnell ab, was einen schmalen Gradienten ergibt. Andererseits werden in größeren Geweben auch die in das Zellinnere gelangten DPP-Moleküle stark recycelt, wodurch sich der Gradient auf eine größere Fläche ausdehnen lässt. “Wir waren endlich in der Lage, eine vereinheitlichte und unvoreingenommene Theorie des Morphogentransports zu entwickeln, die bis auf die wichtigsten Systemgleichungen hinuntergeht und den Skalierungsmechanismus enträtselt!” Maria Romanova ist begeistert.

Die Kombination aus theoretischer Physik und experimentellen Ansätzen, die aus der Untersuchung des DPP-Moleküls in Drosophila hervorgegangen ist, kann auf andere Moleküle verallgemeinert werden, die an der Bildung verschiedener sich entwickelnder Gewebe beteiligt sind. „Unser einzigartiger und multidisziplinärer Ansatz ermöglicht es uns, eine universelle Antwort auf eine grundlegende biologische Frage zu geben, die sich Aristoteles vor fast 2.500 Jahren gestellt hat: Woher weiß ein Ei, wann es aufhört zu wachsen und eine Henne zu machen? schließt Marcos Gonzalez-Gaitan.