生物學家揭開神經(jīng)系統(tǒng)在再生中的新角色

塔夫斯大學的生物學家已經(jīng)開發(fā)了一種計算機(扁蟲)再生的計算模型，該計算模型解釋了平面的碎片如何確定哪一端應形成尾部以及哪一端應形成頭部。開發(fā)開始回答再生研究中的一個重要問題 - 決定重建特定解剖結構的信號是什么?結合建模和實驗，研究人員確定神經(jīng)纖維的方向設定化學信號的重新分布，確定頭到尾軸的方向。該模型還能夠預測許多遺傳，藥理和手術操作的結果，例如具有兩個頭或兩個尾巴的蠕蟲。

發(fā)表在PLOS Computational Biology期刊上的結果超越了planaria，展示了生理和遺傳信號的計算建模如何幫助理解和控制再生。神經(jīng)方向性有助于指導器官水平結構的發(fā)現(xiàn)可以在生物醫(yī)學環(huán)境中具有許多應用，例如哺乳動物的再生，先天缺陷，類器官的生物工程和癌癥。

計算模型使用一種名為Planarian Interface for Modeling Body Organization(PLIMBO)的新型開源仿真平臺，結合了許多推動再生的生物機制 - 一些先前發(fā)表的，以及其他在當前研究中發(fā)現(xiàn)的。該計算環(huán)境創(chuàng)建了在分子，細胞，組織和整個生物體水平發(fā)生的事件的真實定量模擬。該模型通過提供形態(tài)發(fā)生素的主動轉(zhuǎn)運幫助確定神經(jīng)元在再生中發(fā)揮的重要作用 - 這些分子有助于指導細胞生長和組織進入不同的組織和解剖結構。研究人員發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元在重建身體計劃的極性(頭到尾)中發(fā)揮了關鍵作用，

該模型基本上是一個渦蟲體的二維圖，其中重要的信號分子如Hh，NRF，ERK，Wnt，cAMP，beta-Cat，Ptc和APC各自遵循它們自己的生產(chǎn)，分配和運輸規(guī)則。沿細胞路徑，并相互作用。為了更好地理解再生過程，作者檢查了切割部分圖譜，抑制虛擬形態(tài)發(fā)生素的轉(zhuǎn)運和/或擾亂特定形態(tài)發(fā)生素產(chǎn)生的計算結果。然后通過蠕蟲中的物理切除實驗檢查這些干預的結果，并暴露于RNAi或藥理學處理，這可以減少或增加特定形態(tài)發(fā)生素的生物學產(chǎn)生。

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雖然幾十年前已知神經(jīng)元在某種程度上對再生能力很重要，但這是第一項研究，它揭示了神經(jīng)方向性，特別指示隨后重新分布決定主要身體軸的解剖極性的生物化學物質(zhì)。這顯示了有序模式如何在單細胞規(guī)模上出現(xiàn)并傳播到組織和器官。

“該模型在預測蠕蟲的實際生物學結果方面表現(xiàn)非常出色，”藝術與科學學院的Vannevar Bush生物學教授，塔夫茨艾倫探索中心主任Michael Levin博士說。“它使我們能夠看到圖案信息如何從細胞層滲透到生物體層面，以及特定細胞(如神經(jīng)元)的方向性如何驅(qū)動下游生化梯度和器官測定。該模型使我們能夠準確預測以前從未做過的新實驗，揭示了神經(jīng)方向性勝過(并重新設定)已有的生化梯度。“

神經(jīng)方向通過作為某些形態(tài)發(fā)生素的快速導管來指導再生中的極性。神經(jīng)元在其中包含稱為微管的“軌道”系統(tǒng)，以及沿著這些軌道傳輸分子的分子“引擎”。發(fā)動機包括動力蛋白和驅(qū)動蛋白，并且抑制這些分子中的任何一個都可以導致由模型預測的再生異常。正如模型所預測的那樣，新的實驗表明，碎片中預先存在的化學物質(zhì)梯度并未設定頭部和尾部軸的方向，而是由神經(jīng)元纖維的方向性重寫。

“PLIMBO允許我們以定量嚴格的方式檢查再生，”主要作者Alexis Pietak說，他是設計該模型的生物物理學家，也是艾倫探索中心的成員。“我們可以通過模擬神經(jīng)元和新型形態(tài)發(fā)生素的作用填補知識空白，看看它們是否能提高預測實驗結果的能力。這不僅可以讓我們更好地了解再生，組織和器官形成的過程，還可以了解在妊娠期間其他動物如何破壞身體模式，導致出生缺陷。“

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