Wissenschaftler entsperren neue Rolle für das Nervensystem bei der regeneration: die Forscher waren in der Lage zu erklären, Vorhersagen und sogar manipulieren regeneration der flatworm Körper

Biologen an der Tufts Universität entwickelt haben, einem Computer-Modell von planarien (flatworm) regeneration, die erklärt, wie Fragmente von planaria bestimmen Sie, welche Ende sollte die form des Schwanzes und die form sollte einen Kopf. Die Entwicklung beginnt, um die Antwort auf eine wichtige Frage bei der regeneration der Forschung-was sind die Signale, die bestimmen, die den Wiederaufbau von spezifischen anatomischen Strukturen? Die Kombination von Modellierung und experiment, die Forscher festgestellt, dass die Richtung der Nervenfasern setzt die Umverteilung von chemischen Signalen, die Einrichtung der Richtung von dem Kopf-zu-Schwanz-Achse. Das Modell war auch in der Lage, vorherzusagen, die Ergebnisse von zahlreichen genetischen, pharmakologischen und chirurgischen Manipulationen, wie z.B. Schnecken mit zwei Köpfen oder zwei Schwänzen.

Die Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift PLOS Computational Biology gehen über planaria, die zeigen, wie Computer-Modellierung von physiologischen und genetischen Signale, die helfen können, zu verstehen und zu kontrollieren regeneration. Die Entdeckung, dass neuronale Richtwirkung hilft Führer-Orgel-level-Struktur könnte haben viele Anwendungen in der biomedizinischen Kontexten, wie z.B. der regeneration von Säugetieren, Geburtsfehler, bioengineering der organoids und Krebs.

Das Rechenmodell, mit einem neuen open-source-Simulations-Plattform, der so genannten Planarien-Interface für die Modellierung von Körper-Organisation (PLIMBO), integriert viele biologische Mechanismen Fahrt regeneration-einige früher veröffentlichten, und andere entdeckten in der aktuellen Studie. Dieser rechnerische Umgebung schafft eine realistische quantitative simulation der Ereignisse auf der molekularen, zellulären, Gewebe und den ganzen Organismus Ebenen. Das Modell geholfen, erkennen die wichtige Rolle, die Neuronen spielen in der regeneration durch die Bereitstellung von aktiv-transport des morphogens — die Moleküle, die helfen, das Wachstum und die Organisation von Zellen in verschiedene Gewebe und anatomischen Strukturen. Die Forscher fanden, dass Neuronen spielte eine entscheidende Rolle bei der Rekonstruktion der Polarität des Körpers plan (Kopf bis Schwanz), sowie die Gewährleistung, dass morphogens könnte schnell verbreitet werden zu aktivieren, die regeneration effektiv zu arbeiten auf unterschiedlichen Skalen-von winzigen Fragmente zu kompletten Körper.

Das Modell ist im Grunde eine 2-dimensionale Karte einer planarien-Körper, in denen wichtige Signalmoleküle wie Hh, NRF -, ERK -, Wnt -, Lager -, beta-Cat, Ptc und APC, die jeweils eigene Regeln für die Produktion, den transport und die Verteilung entlang der zellulären Wege, und miteinander interagieren. Um besser zu verstehen, die regeneration, die Autoren untersuchten die berechneten Ergebnisse schneiden, die Teile der Karte, die Hemmung der transport der virtuellen morphogens, und/oder stört die Produktion von spezifischen morphogens. Die Ergebnisse dieser Maßnahmen wurden dann untersucht experimentell durch die physische Ausrottung der Wurm, und der Belastung durch RNAi oder pharmakologische Behandlungen, die können verringern oder erhöhen Sie die biologische Produktion von spezifischen morphogens.

Während es seit Jahrzehnten kennt, sind die Neuronen in irgendeiner Weise wichtig für die Regenerationsfähigkeit, diese ist die erste Studie, die zeigt, dass es neuronale Direktionalität, die ausdrücklich beauftragt anschließende Umverteilung von Biochemikalien, die Bestimmung der anatomischen Polarität einer großen Körperachse. Dies zeigt, wie bestellt-Muster entsteht, bei dem einzelne Zelle Skala und weitergegeben wird, um Gewebe und Organe.

„Das Modell hat sich bemerkenswert gut in der Vorhersage der tatsächlichen biologischen Ergebnisse in der Wurm“, sagte Michael Levin, Ph. D., Vannevar Bush, Professor für Biologie an der School of Arts & Wissenschaften und Direktor des Allen Discovery Center an der Tufts. „Es uns ermöglicht, zu visualisieren, wie die Strukturierung von Informationen kann perkolat aus der Zelle zum Organismus-Ebene, und wie der Ausrichtung von bestimmten Zellen (z.B. Neuronen) nachgelagerte biochemischen Verläufe und Orgel Bestimmung. Das Modell ermöglichte uns genaue Vorhersagen für neue Experimente, die noch nie zuvor getan hatte, offenbart, dass neuronale Direktionalität Trumpf (und re-sets) bereits vorhandenen biochemischen Verläufe.“

Neuronale Richtung Führer Polarität in der regeneration, durch das dienen als eine schnelle Leitung für bestimmte morphogens. Neuronen, die in Ihnen enthalten ein system von „Gleisen“ genannt Mikrotubuli und molekulare „Motoren“, die transport-Moleküle entlang dieser tracks. Die Motoren sind dynein und kinesin, und die Hemmung entweder von den Molekülen führen kann, um die regeneration Anomalien von dem Modell vorhergesagt. Neue Experimente zeigte sich, wie vorhergesagt durch das Modell, dass Prä-existierende Gradienten von Chemikalien, die in Fragmenten nicht die Richtung des Kopf-und Schwanz-Achse, sondern wurden neu geschrieben, die durch die Richtwirkung der neuron Fasern.

„PLIMBO erlaubt uns zu prüfen, die regeneration in einem quantitativ-rigoros“, sagte führen Autor Alexis Pietak, der Biophysiker wer entwickelt das Modell und Mitglied des Allen Discovery Center. „Wir können in Lücken im wissen über die Simulation der Rolle der Neuronen und Roman morphogens und sehen, wenn Sie verbessern die Fähigkeit zur Vorhersage experimenteller Ergebnisse. Dies kann uns nicht nur ein besseres Verständnis in den Prozess der regeneration, Gewebe-und organbildung, sondern auch Einblicke in die Körper-Muster unterbrochen werden konnte bei anderen Tieren während der Trächtigkeit, führt zu Missbildungen.“