Developmental Pattern Formation in Phases
 Trends in Cell Biol. Volume 25, Issue 10, p579–591, October 2015 | |
|---|---|
|
|
   Во время эмбрионального развития формирование паттерна и рост тканей связаны сложным образом. Координация формирования паттерна и роста косвенным образом связано со свойствами развивающихся органов, чтобы сформировать пропорциональные, воспроизводимые паттерны клеточной дифференцировки, несмотря на вариации в размере между индивидами одного и того же вида. Однако, координационные механизмы всё ещё недостаточно изучены. Это частично из-за того, что формирование паттерна очень динамичный процесс. Паттерны генной экспрессии устанавливаются со временем и часто не меняют пропорции размера растущей ткани [1, 2, 3] (Figure 1). Напр., во время развития конечностей пальцы специфицируются один за другим [4], все же паттерн и размер пальцев соразмерный (scale) у взрослых разных размеров. Сходным образом, дорсо-вентральные пропорции подтипов предшественников в нервной трубке постоянно изменяются со временем и контролируются разными механизмами в разные периоды развития [3]. Необходимо помнить, как изменяются пропорции и переходы в ходе разных фаз формирования паттерна во время развития, это может быть согласовано со scaling (see Glossary) паттерна между индивидами.
Во многих тканях спецификация паттерна и рост контролируются морфогенами, которые передают сигнальные молекулы, формирующие концентрационные градиенты в развивающейся ткани [5]. Distinct Phases of Pattern Specification and Growth Многие развивающиеся органы проходят через разные фазы развития, чтобы содать полный репертуар и количество дифференцированных типов клеток. В развивающ90емся спинном мозге, нейральных предшественниках первоначально обнаруживаются антипараллельные градиенты морфогенов Sonic hedgehog (Shh) и Bone morphogenetic protein (BMP)/Wnt, секретируемых на вентральном и дорсальном полюсах соотв. Эти морфогены контролируют образование 14 транскрипционно отличающихся доменов нейральных предшественников вдоль дорсо-вентральной оси, которые позднее дают разные подтипы нейронов и глии [6, 7]. Идентификация каждого из доменов предшественников определяется комбинацией транскрипционных факторов ('identity TFs'), которые экспрессируются [6]. Во время инициальных стадий нейрального развития передача сигналов морфогенов от полюсов управляет прогрессивными изменениями в комбинациях качественных особенностей TFs, экспрессируемых данным предшественником. Как следствие, происходит переключение качественных особенностей предшественника в ответ на передачу сигналов морфогенов часто на ранних стадиях и некоторые домены предшественников расширяются за счет др. (Figure 1A) [3]. На более поздних стадиях, качественные характеристики стабилизируются; следовательно, чистый коэффициент, с которым предшественники переключаются между качественными характеристиками, снижается. Несмотря на это, альтерации в пропорциях доменов предшественников продолжаются, поскольку скорость, с которой предшественники дифференцируются в нейроны заметно увеличена и разные подтипы предшественников подвергаются выходу из клеточного цикла и нейральной дифференцировки происходят с разными скоростями [3]. Это согласуется с предыдущими экспериментальными наблюдениями [8, 9, 10, 11] и указывает на то, что спецификация паттерна и нейрональной дифференцировки являются раздельными фазами в развитии спинного мозга (Figure 1A). После нейрогенной фазы, предшественники не истощаются, но переходят к генерации разных глиальных типов клеток [12, 13]. Т.о., фаза ранней спецификации развития спинного мозга создает фундамент для формирования паттерна нейронов и глии.
Сходная последовательность, при которой ранняя спецификация клеточных типов сопровождается фазой роста, наблюдается и в др. органах. Во время развития конечностей позвоночных Shh сначала устанавливает передне-заднюю полярность мезенхимной ткани, из которой будут формироваться пальцы. Это сопровождается фазой, во время которой Shh способствует росту и специфицированные клетки конденсируются в морфологически определяемые пальцы [14] (Figure 1B). Развитие внешних гениталий и дифференцировка миобластов также используют Shh и следуют сходному двухфазному плану [15, 16]. Т.о., ранняя спецификация паттерна сопровождается регулируемым ростом, что является общераспространенной стратегией, используемой во время развития многими органами (see also [17]).
Паттерн спецификации на ранних стадиях развития ткани обладает потенциальными преимуществами. Напр., он предлагает возможности страховки, что паттерн будет установлен правильно. Диапазон передачи сигналов морфогенов зависит от скорости продукции морфогена, его распространения и деградации [18]. Т.о., механизмы связывания лиганд-рецептор, транспорта и интернализации накладывают ограничения на кинетику формирования градиентов морфогенов и форму градиента. В тканях, где доступны измерения, концентрация морфогена снижается приблизительно на треть от максимального уровня приблизительно на расстоянии в в 2-10 клеточных диаметров по сравнению с источником морфогена [19]. Это подтверждает, что градиенты, скорее всего, наиболее эффективны для формирования паттерна на относительно короткие расстояния. Механизмы, которые простирают пределы эффективного градиента согласуются с формированием точной спецификации паттерна [20, 21]. Крупные градиенты распадаются с длиной приводя к небольшим концентрационным различиям между клетками и, следовательно, тем выше чувствительность интерпретации градиента в противовес шумам.
Декодирование градиентов морфогена в раннем периоде также может быть благоприятным в случае, когда клетки реагируют на временные изменения вместо абсолютной концентрации морфогена в данный момент [22, 23, 24, 25, 26]. Напр., в крыловом диске Drosophila относительные изменения в концентрации морфогена на единицу времени наивысшие на ранних стадиях развития и это вызывает пропорционально более высокую реакцию на этой стадии [25]. Изменения в концентрации морфогена со временем наблюдаются в большинстве тканей (e.g., [22, 25, 27-29]), хотя количественные эффекты этих изменений на паттерн ещё не были изучены детально. Тем не менее, это согласуется с идеей, что эффекты морфогена на паттерн могут быть максимальные во время раннего развития, когда ткань мала.
Двухфазная стратегия формирования паттерна также предоставляет возможности компенсировать ошибки формирования паттерна, которые возникают во время первой фазы, во время последующей фазы роста. Постепенное снижение изменений качественных характеристик клеток во время эмбрионального роста подтверждает, что стратегия регулирующей петли обратной связи нацелена на дифференцировку или апоптоз, чтобы регулировать их пропорции. Такие стратегии широко распространены е гомеостатических системах, таких как обонятельный эпителий [30]. Терминальные постмитотические клетки во многих стадиях обонятельного клона ингибируют скорость пролиферации на стадии ранних предшественников путем секреции ингибирующего Growth differentiation factor 11 (GDF11). Математический анализ показал, что такая регуляция может определять размер пула дифференцированных клеток, не чувствительного к инициальному количеству предшественников, точной скорости пролиферации или прогрессии посредством клонов, или улучшения скорости регенерации после повреждения [30].
Случаи, в которых постмитотические клетки влияют на пролиферацию и дифференцировку предшественников, были также описаны в онтогенетических системах. Генетическое устранение временной мигрирующей популяции глютаматергических нейронов снижает пролиферацию и приводит к преждевременной дифференцировке кортикальных предшественников в их близи [31]. Во время развития коры постмитотические нейроны могут действовать на предшественники и изменять нейрогенно-глиогенные, и апикально-базальные переходы предшественников [32, 33]. Эта регуляция происходит благодаря экспрессии транскрипционного фактора Smad interacting protein 1 (Sip1), который супрессирует продукцию Fibroblast growth factor 9 (Fgf9) и Neurotrophin 3 (Nt3) в постмитотических клетках. Углубленное понимание механизмов обратной связи, регулирующих динамику клеточного цикла пулов предшественников в разных системах д. позволить оценить вклад фазы роста в эксплуатационную способность паттерна и типы используемых регуляторных стратегий.
Наконец, отдельно фазы спецификации и роста также указывают на способ генерации фенотипического разнообразия во время эволюции при использовании тех же самых сигналов и сети регуляторных генов для спецификации инициального паттерна у разных видов. В соответствии с этой идеей различия в скелетных пропорциях у грызунов возникают во время финальной фазы увеличения хондроцитов [34]. Продолжительный период пролиферации базальных предшественников в неокортексе, которая лежит в основе увеличения количества извилин неокортекса во время эволюции млекопитающих, также подтверждает это мнение [35, 36]. Morphogen Signalling and Transcriptional Network Dynamics Понимание того, как переходы между фазами онтогенеза и между разными состояниями клеток контролируются, является главным вопросом биологии развития. Недавние доказательства только начинают соединять и вовлекать динамику передачи сигналов морфогенов в транскрипционные изменения, которые сопровождают спецификацию паттерна и в некоторых примерах переход между онтогенетическими фазами.
В некоторых системах уровни лигандов морфогенов и внутриклеточная передача сигналов со временем изменяются [22, 25, 27-29]. В нервной трубке Shh формирует экспоненциально понижающийся вентрально-дорсальный градиент с постоянной длиной распада [22]. Напротив, амплитуда градиента увеличивается более чем в 10 раз во время развития. Этот пространственно-временной профиль Shh, одновременно с пространственно униформной пролиферацией на ранних стадиях, означает, что уровни Shh увеличиваются с разной скоростью в клетках разного положения в ткани (Figure 2A) . Повышенные уровни лиганда для Shh трансдуцируются во внутриклеточную активность Gli транскрипционных эффекторов, которые адаптируются (снижаются) со временем [22, 37, 38] (Figure 2A). Это снижение уровня активности Gli в ответ на повышение концентрации Shh, которая влияет на предшественников, обозначается как 'временная адаптация'. Она возникает потому, что существуют три признака каскада сигнальной трансдукции: негативная петля обратной связи посредством рецептора, дифференциальная стабильность активации и репрессии изоформ Gli, и Shh-зависимый контроль транскрипции Gli [22]. Следствием этой сигнальной динамики является то, что скорость увеличения концентрации лиганда для Shh детерминирует амплитуду активности Gli [22].
Сигнальные пути, лежащие в основе временной адаптации, естественно ассоциированы с фазой повышения и десенсибилизации. В спинном мозге нейрогенез начинается вскоре после пика сигнальной активности. Снижение передачи сигналов Shh во время этой фазы не приводит к изменениям транскрипционных характеристик предшественников [3] (Figure 1, Figure 2). Теоретический анализ интерпретации Shh [37, 39, 40] подтверждает, что запаздывание фаз (hysteresis), передаваемое с помощью транскрипционной сети д., по крайней мере, частично объяснить стабильность экспрессии генов, несмотря на снижение уровней передачи сигналов (Figure 2B,C). Регуляция компонентов сигнального пути Shh д. также вносить вклад в сохранение паттерна [41]. Т.о., комбинация динамики адаптивной передачи сигналов и структуры и динамики нижестоящей транскрипционной сети приводит к точке развития, где пропорции разных типов предшественников более не зависят от увеличения уровня передачи сигналов. Эта стратегия установления инициального паттерна связана с повышенной помехоустойчивостью к флюктуациям уровней передачи сигналов [37, 42]. Более того, теоретический анализ показал, что адаптивные сигнальные пути скорее могут достигать стабильного паттерна экспрессии нижестоящих генов, чем пути, при которых сигнальная активность увеличивается монотонно во времени [23].
Центральный вопрос исследования онтогенетических переходов это, существует ли единственный механизм, объясняющий конец одной фазы и начало следующей. В спинном мозге причинная связь между понижением активности Gli и увеличением нейрональной дифференцировки подтверждена [43]. Это подтверждается наблюдением, что увеличенная фракция нейрогенных делений, выявляется с использованием электропортированной активности репортера энхансера Tis21 в нервной трубке эмбрионов кур, это коррелировало со снижением передачи сигналов Shh. Избыточная активность передачи сигналов Shh в течение продолжительного периода увеличивает фракцию пролиферативных делений, подтверждая, что изменения активности Gli вносят вклад в переход [43]. Молекулярная основа этого и того, как она связана с с др. факторами, которые также влияют на начало и скорость нейрональной дифференцировки, предстоит определить. Одной из возможностей является то, что передача сигналов Shh контролирует и поддерживает профиль экспрессии транскрипционного фактора Oligodendrocyte lineage transcription factor 2 (Olig2), поскольку динамика экспрессии пронейральных генов и др. факторов, которые взаимодействуют с Olig2 приводит к повышенной нейрональной дифференцировке. В самом деле, предшественники двигательных нейронов постоянно экспрессируют Olig2, тогда как дифференцирующиеся нейроны подавляют экспрессию Olig2. Низкие уровни передачи сигналов Shh необходимы во время фазы дифференцировки [10, 44]. Более того, Olig2 взаимодействует с пронейральным транскрипционным фактором Ngn2, который способствует стимуляции специфичного для моторных нейронов фактора MNR2 и инициации дифференцировки [45-48]. Эти факторы взаимодействуют динамически с др. факторами, участвующими в дифференцировке, такими как Hes Family basic helix-loop-helix (bHLH) Transcription Factor 1 (Hes1), Delta-Like 1 (Dll1) [49], Yes-Associated Protein 1 (YAP1) [50] и miR9 [51]. Вместе они образуют транскрипционную сеть, которая обнаруживает осциллирующую динамику в клетках предшественниках и стабильную экспрессию компонентов пост-митотических нейронов [52]. Возможно, что временная динамика этой транскрипционной сети достаточна, чтобы объяснить наблюдаемую скорость дифференцировки двигательных нейронов. Хотя точные молекулярные детали пока неясны, но связь динамики передачи сигналов Shh с изменениями в транскрипционной сети представляет пример того, как один и тот же сигнал может быть использован для достижения разных результатов (индукции в противовес поддержанию экспрессии Olig2) во время фаз спецификации и роста.
Разные типы предшественников обнаруживают разную динамику скорости дифференцировки. Чтобы протестировать модели контроля дифференцировки, необходимо сравнение между доменами предшественников. В дорсальной части нервной трубки передача сигналов BMP не только контролирует спецификацию предшественников [53-56], но и также участвует в контроле скорости дифференцировки [57]. Подобно Shh, уровни передачи сигналов BMP со временем снижаются [3,54], но как это затрагивает спецификацию и переход к нейрогенезу, неизвестно. Дополнительные внешние факторы, такие как Wnt и ретиноевая кислота (RA), также могут вносить вклад в эти процессы [56, 58-60]. Более того, хотя характерные профили экспрессии пронейральных генов в дорсальной части нервной трубки известны [6, 61, 62], регуляторная сеть, обеспечивающая нейрогенез, д. быть выяснена полностью.
Сети регуляторных генов, участвующие в определении времени нейрогенных переходов, начинают выявляться. Переход от висцеральных моторных нейронов (vMN) к продукции серотонергических нейронов в заднем мозге зависит от подавления транскрипционного фактора Paired-Like Homeobox 2b (Phox2B). Shh-зависимые изменения в экспрессии Forkhead box A2 (FoxA2), репрессора Phox2B, ранее уже были скоррелированы с переходом [63]. Недавно, transforming growth factor β2 (TGFβ2) был идентифицирован как локально действующий репрессор Phox2B [64]. Задержка индукции TGFβ2 в vMN домене и последующая динамика репрессии Phox2B, как полагают, предопределяет продолжительность фазы генерации vMN [64]. Интригующая возможность в том, что способность TGFβ2 к диффузии может быть использована в этой системе, чтобы контролировать скоординированный переход всех предшественников к новому состоянию. Экспрессия TGFβ2 зависит от Shh, это создает возможность, что начало экспрессии регулируется с помощью временных изменений в передаче сигналов Shh, хотя механизм пока неизвестен.
Итак, эти примеры иллюстрируют, что переходы между транскрипционными состояниями и поведение клеток зависят от динамики как транскрипционной сети, так и внешних сигналов. Однако, существуют экспериментальные и теоретические затруднения в различии относительного вклада внутренних и внешних эффектов, особенно, если они происходят на одинаковой временной шкале [65]. Модели 'неавтономных' динамических систем, где варьирующие во времени передачи сигналов морфогенов могут быть представлены как зависимые от времени параметры, д. помочь в этом анализе. Недавнее исследование неавтономных рычажных переключателей позволило исследователям классифицировать поведение, возникающее как результат параметра зависимости от времени [66]. Это указывает на то, что изменения параметров транскрипционной сети (напр., силы перекрестной репрессии между генами) могут иметь качественно отличающиеся эффекты ву результате изменений входящих внешних сигналов. Расширение такого теоретического анализа на более сложные неавтономные системы и связь их с экспериментальными данными обещает получение новой информации о динамическом контроле онтогенетических переходов. Effects of Growth on Morphogen Signalling and Pattern Хотя доказательства подчеркивают важность динамики передачи сигналов морфогенов в регуляции онтогенетических переходов. Один из факторов, которые вносят вклад в динамику передачи сигналов морфогенов это обратная связь в каскаде сигнальной трансдукции (rev. [67]). Др. важный фактор, который менее изучен, это рост ткани. Рост заставляет клетки отходить от источника продукции морфогена. Это изменение их позиции в ткани и в то же самое время клетки могут транспортировать интернализованые или связанные с поверхностью молекулы морфогенов. Кроме того, концентрация морфогена и уровни эффектора могут разбавляться по мере деления клеток (напр., [25, 68], Figure 3A,B) . Чем выше скорость роста ткани, тем значительнее эффект этих факторов на форму градиента. Кроме того, рост ткани может приводить к продукции градиента морфогена, если клетки содержащие мРНК морфоген, отдаляются от места синтеза (Figure 3C). Этот механизм наз. распад мРНК или более обобщенно клональный транспорт, по-видимому, ответственный за снижение воздействия на клетки пресомитной мезодермы и нейральные предшественники передачи сигналов Fgf после элонгации оси (rev. [69]).
Рост ткани вместе с изменениями в 'компетентности' также могут влиять на динамику передачи сигналов путем создания барьера из нечувствительных клеток между источником морфогена и тканью мишенью (Figure 3D). В зачатке конечности передача сигналов Fgf поддерживает экспрессию Shh в зоне поляризующей активности (ZPA), это, в свою очередь, индуцирует экспрессию Gremlin в мезенхиме кпереди от ZPA, поскольку Gremlin поддерживает экспрессию Fgf [70]. Со временем, однако, пролиферация внутри зачатка конечности вызывает дрейф клеток от ZPA. Эти клетки подавляют Shh и становятся нечувствительными к передаче сигналов Shh, т.о., происходит образование барьера между источником Shh и чувствительной тканью. Как только барьер достигает размера крупнее, чем диапазон передачи сигналов Shh, то экспрессия Gremlin более не индуцируется [71]. Как следствие петля Gremlin-Fgf-Shh позитивной обратной связи прерывается и рост конечности останавливается. Как размер ZPA контролируется и как клетки ZPA теряют чувствительность к Shh остается ключевым нерешенным вопросом. Гомеобоксные (Hox) Heart and neural crest derivatives expressed 2 (Hand2) и Ets Variant 6 (Etv6) гены участвуют [72-74]; , однако, необходимо установить количественную механистическую модель.
Анизотропный рост ткани также может изменять паттерн без нарушения передачи сигналов морфогенов. Специфичные для типа клеток различия в скорости нейрональной дифференцировки влияют на относительное количество предшественников в нервной трубке [3]. Однако, пространственный паттерн генной экспрессии также зависит от размера и формы клеток предшественников. Потеря предшественников двигательных нейронов, обусловленная дифференцировкой, происходит за счет расширения дорсо-вентрального и апико-базального доменов предшественников двигательных нейронов, тогда как передне-задняя длина домена предшественников двигательных нейронов не затрагивается [3]. Подобная анизотропия может возникать из-за ориентированных клеточных делений или изменений в механических свойствах предшественников. Foxp2/4 транскрипционные факторы супрессируют экспрессию N-Cadherin в домене двигательных нейронов и необходимы для нормальной дифференцировки и вычленения двигательных нейронов [75]. Необходимо исследовать, действительно ли эта регуляция N-Cadherin д. координировать дифференцировку с изменением формы клеток и перестройкой домена двигательных нейронов. Robustness of Pattern to Tissue Size Variations Ошибки в паттерне, возникающие во время спецификации, могут быть умножены во время последующей фазы роста. Чтобы минимизировать такие ошибки, инициальные паттерны д. быть устойчивы к вариациям в размере ткани. Во многих системах, соответствие градиентов морфогенов размеру ткани, как полагают, приводит к сохранению шкалы (scaling) подлежащего паттерна и предложено несколько механизмов [76-78]. Многие исследования, посвящённые этому вопросу, рассматривают упрощенный механизм интерпретации морфогена, в котором границы экспрессии генов позиционированы на определенные концентрации морфогена. В этих случаях паттерны будут масштабироваться в точности, если наклон градиента морфогена пропорционален размеру ткани, а амплитуда удерживается константной. Однако, частичное масштабирование паттерна для некоторых позиций в ткани может быть достигнуто путем регулировки амплитуды градиента [79]). Напр., в популяциях Drosophila melanogaster , искусственно селектированных на разные размеры, амплитуда градиента Bicoid (Bcd) в ядерном цикле 14 масштабирована с объемом эмбриона и коррелирует с количеством отложенного матерью Bcd [80,81]. У таких эмбрионов объем варьирует почти на 40%, тогда как относительные передне-задние позиции границ even-skipped (eve) были почти идентичны [82].
Трансдукция сигнала ниже внеклеточных лигандов не всегда линейна; несмотря на это молекулярный механизм формирования градиента и трансдукции д. приводить к масштабированию внутриклеточной передачи сигналов от активного градиента. Примером этого является формирование градиента сигнальной активности BMP в гаструле Xenopus. В этом случае Chordin, дорсально секретируемый способный к диффузии ингибитор BMP, вносит вклад в формирование градиента частично за счет транспортировки первноначально широко экспрессирующегося BMP на вентральный полюс; механизм, обозначенный как 'morphogen shuttling' [83]. Теоретический анализ подтвердил, что эта система сама по себе не может обеспечить масштабирование паттерна; однако, второй лиганд, Antidorsalizing morphogenetic protein (ADMP), может гарантировать, что уровни активности BMP будут константными как функция относительной позиции в ткани [83]. Дорсально секретируемый ADMP, подобно BMP, активирует BMP рецепторы и может соединяться с Chordin, но в тоже самое время его экспрессия репрессируется с помощью активности BMP. Т.о., ADMP может расширять активность передачи сигналов BMP, в то время как передача сигналов BMP одновременно действует негативно на ADMP способом, который зависит от размера ткани. Такого типа механизм назван 'Expander-repressor mechanism' [77, 84] и как полагают действует в нескольких системах [85, 86]. Недавно комплементарная роль для протеазы, Sizzled, была выявлена в этом процессе [77, 87]. Эти данные подтверждают, что масштабирование (scaling) активности градиента BMP д. достигаться за счет комбинации механизмов [77].
Использование двух разных морфогенов, испускаемых с противоположных полюсов сткани, также, по-видимому, участвует с масштабировании паттерна (Figure 4) [88, 89, 90]. Механизмы, с помощью которых клетки 'сравнивают' уровни двух сигналов, позволяют подсчитывать позицию относительно двух полюсов. Молекулярно, это сравнение может осуществляться разными способами: с помощью взаимодействий между самими лигандами, взаимного общения между компонентами трансдукционных каскадов или нижестоящей транскрипционной сети (Figure 4B-F). Специфичности перекрестных взаимодействий являются критическими для масштабирования паттерна [88, 89, 90] и количество возможных топлогий для перекрестных взаимодействий может быть огромным. Недавнее исследование свойств 81 перекрестно-репрессивных топологий проведено между путями передачи сигналов Fgf и BMP в переднем мозге [91]. Специфический механизм перекрестно ингибирующей позитивной обратной связи (Figure 4F), как было установлено, объясняет экспериментально наблюдаемую реакцию генов мишеней и может , в принципе, осуществлять масштабирование в соответствии с размером ткани. Сходным образом, в спинном мозге противоположные активности Shh и BMP предоставляют способ достижения масштабирования дорсо-вентрального паттерна [92], хотя молекулярный механизм пути интеграции неясен.
Градиенты морфогенов могут не только действовать на клеточно-автономные нижестоящие транскрипционные сети, но и также гарантируют масштабирование клеток в клеточно неавтономной системе Тьюринга, которая не масштабирует сама себя ([93, 94]; see also [95, 96]). Недавний пример в конечностях позвоночных [93, 94]. В этом случае градиент передачи сигналов Fgf устанавливается длиной волны BMP-SRY (Sex-determining region Y) box 9 (Sox9)-Wnt сети Тьюринга, которая управляет конденсацией пальцев. Градиент Fgf также способствует росту и , как полагают, масштабируется под размер зачатка конечности. Т.о., передача сигналов Fgf может объяснить, как более крупные конечности имеют более широкие и длинные пальцы [93]. Эта модель предоставляет схему, согласно которой точная форма и временная динамика передачи сигналов градинета Fgf и регуляция роста ткани с помощью передачи сигналов Fgf в этой системе будет в дальнейшем исследована и связана с формированием паттерна пальцев. Как передача сигналов Shh, которая предопределяет качественные характеристики пальцев во время ранней фазы формирования паттерна конечностей, связана с динамикой сети Тьюринга, остается открытым вопросом (see also [14, 97]).
Этот пример подчеркивает снова, что градиенты морфогенов, передача сигналов и транскрипционные сети не стационарны, а постоянно изменяются во время развития. Градиенты лигандов морфогенов могут масштабироваться под размер растущей ткани во время развития. Это может происходить с помощью expander-repressor или expander-dilution механизма, причем скорость деградации морфогена снижается по мере увеличения размера ткани во время развития (rev. [98]), или др. механизмов. Некоторые исследования измеряли, как динамика передачи сигналов морфогена скоординирована с ростом ткани [25, 26, 68, 99, 100]. Всё ещё трудно связать это с динамикой нижестоящих транскрипционных сетей. Преходящая динамика многих нижестоящих транскрипционных сетей приводит к временной экспрессии промежуточных генов перед финальным паттерном экспрессии генов. Мультистабильность генетических сетей означает, что паттерн в определенный момент времени может отражать историю передачи сигналов и предыдущих состояний транскрипционной сети [67]. Дальнейшим следствием является то, что границы генов мишеней не возникают при тех же самых концентрациях морфогенов со временем [37, 101-104]. Это вызывает предположение, что домены генов мишеней позиционированы с помощью фиксированный порогов концентраций. Т.о., будущие исследования масштабирования и воспроизводимости паттерна смогут предоставить более детальные модели регуляции генов.
Concluding Remarks The highly dynamic nature of pattern formation and the nonlinear transformations of extracellular morphogen concentration by transcriptional networks and transduction cascades into tissue pattern, have led to a rethinking of the established French flag model of positional information [65, 67, 105]. Current knowledge of the dynamics and complexity of pattern formation poses several challenges for understanding scaling (see Outstanding Questions). How do we reconcile the nonlinearity and complexity of transcriptional networks with the remarkable observation that the halved Xenopus larvae and fragmented planaria regenerate a proportional body plan [106, 107]? It could be that precise measurements of body-plan proportions of tadpoles generated from bisected embryos are reproducible only within a certain range and that scaling is not perfect. Alternatively, much of the dynamics of the pattern formation process might be irrelevant for scaling, for instance if the gradient is read out at a particular narrow time interval during development. In the case of adaptive signalling dynamics, it is possible that the signalling gradient at its peak is most relevant for scaling pattern to size (also see [23]). Further studies will be necessary to test this hypothesis and will necessitate the analysis of pattern scaling downstream of dynamic signalling gradients in other tissues. Finally, it is unclear to what extent early embryonic patterning, where the developmental potential of cells is large, and more specialized organogenesis phases would be governed by the same principles with respect to scaling. To fully understand the robustness of patterns to variations in size, future studies will have to explicitly consider the temporal dynamics of the process from gradient formation to the interpretation and regulation of gene expression.
Besides the systems-level understanding of the pattern formation process, a major challenge is to understand the feedbacks and links between the different levels of regulation. One aspect of this is to explain how the same morphogen signal is used in the same tissue to control both pattern specification and growth. This will reveal whether the rates of tissue growth and pattern specification are coupled or controlled independently, which will be instrumental for understanding how the reproducibility of pattern is established.
Tissue growth often underlies the changes in signals and elaborates gene expression patterns. Therefore, growing tissues are not passive substrates on which pattern specification occurs, and a greater understanding of the effects of growth on morphogen signalling and pattern is needed (see also [67]). Conversely, feedback from pattern and/or tissue size to cell cycle control is poorly understood. Understanding this will be essential to address how the reproducibility of pattern between individuals can be maintained after pattern is specified.
To address these questions, tools that allow temporal-controlled genetic perturbations and lineage tracing in defined spatial locations will be necessary. Perturbations that allow fine-tuning of kinetic parameters and create more subtle phenotypes will be most informative to understand the regulation and significance of temporal dynamics. Genome-editing approaches, together with optogenetic methods and drug-inducible genetic drivers, are beginning to offer unprecedented possibilities for designing such approaches that should address these longstanding questions.
|