器官如何知道該長到多大?果蠅細胞裡的形態素揭秘!

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世界上最小的魚為微鯉(Paedocypris),全長僅有 7 毫米,心臟、胃、魚鰓和魚鰭等器官比 9 公尺長的鯊魚小數千倍,但兩種魚的多項基因和解剖構造卻相同,究竟這些組織和器官是如何決定生長的大小呢?近期刊登於 Nature 期刊上的文章:透過研究細胞內的形態素(Decapentaplegic, DPP)來縮放濃度梯度(Morphogen gradient scaling by recycling of intracellular Dpp)或許能揭曉這一大哉問。

形態素的濃度梯度為組織生長的關鍵

生長組織的細胞在增生時會受到信號分子的驅動,但細胞要如何知道生長到何等大小是合適的呢? 瑞士日內瓦大學生物化學系的 Marcos Gonzalez-Gaitan 教授與德國複雜系統物理研究所主任 Frank Jülicher 組成研究小組,透過追蹤果蠅細胞中的形態發生素(morphogen)在不同大小的組織中扮演的分佈與擴散情形得到了結果。

形態素屬於果蠅的形態發生素中的一種,為果蠅上十五種器官生長所需的分子,包含翅膀、觸角和下頷骨等。藉由追蹤不同尺寸的組織細胞,研究團隊發現形態素會從組織中擴散,而其濃度會根據組織的大小成梯度逐漸下降,而梯度會根據生物的大小進行縮放調節以保持與生長器官的大小成正比。

在不同組織中, 形態素在細胞間的傳輸方法會影響到梯度的大小。在較小的組織中,形態素主要透過擴散傳輸,其濃度會隨著形態素遠離擴散源逐漸降解而迅速下降,形成較小的濃度梯度。而在較大的組織中,細胞會將吸收的形態素分子重新以胞吐作用重新釋放到細胞外擴散,加強組織中細胞對形態素的回收利用,進而將濃度梯度拉高,使之可以擴散到更遠的細胞。

多學科團隊聯合解密,利用數學公式解答濃度梯度機制!

Marcos Gonzalez-Gaitan 教授的研究團隊組成包含了生物學家、生物化學家、數學家和物理學家,利用物理學原理來分析生物學,研究每個細胞中的作用與反應。研究團隊也為此研究開發了一系列複雜的系統,其中包含定量顯微鏡的技術,使他們能夠精確的定量並追蹤形態素分子在細胞內和細胞之間的動態。

藉由理論物理學和實驗方法的結合,Marcos Gonzalez-Gaitan 教授認為多學科的團隊研究將可以回答 2500 年前亞里斯多德提出的基本生物學問題:「雞在雞蛋中生長時要如何知道何時停止生長?」

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參考資料:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04346-w

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