模拟器官的计算模型：助力探索发育生物学关键之谜 组织形态发生

来自美国的研究人员开发了一种新的模拟果蝇翅膀发育的计算模型，有助于研究人员识别器官形态发生背后隐藏的机制。

　　

器官的最终形状是在细胞水平上的发育过程之间动态相互作用的结果。发育中的器官是如何协调细胞力学和细胞增殖以达到最终的大小和形状的？这是发育生物学中最重要的尚未解决的问题之一。

圣母大学化学和生物分子工程副教授Jeremiah Zartman与包括加州大学河滨分校在内的一个多学科研究团队合作，开发了一种模拟果蝇翅膀发育的计算模型，以对产生器官组织的机制进行逆向工程。逆向工程的主要挑战之一来自蛋白质调控网络和多细胞相互作用的内在复杂性——这些相互作用发生在多个空间和时间尺度上。局部组织的曲率、细胞高度和核定位、上皮折叠和变平等形态变化，都会影响多细胞生物的形态发生、器官最终三维结构和功能的形成。。。作者采用多尺度(空间)SCE计算模型，将高度复杂的生物学校准计算模型模拟与定量实验分析相结合，定量研究了组织形态发生的特征。从这个模型中获得的生物学见解将对调节器官细胞大小和形状的化学和机械杠杆提供了更深入的理解，有助于揭开器官形态发生背后隐藏的机制。该团队的研究结果已发表在《自然通讯》上。

“我们正尝试在计算机中模拟一个器官——有效地创造一个该器官的数字拷贝，”Zartman说。“我们尝试组合不同的细胞和细胞的一部分，看看我们是否能预测它们如何相互作用。”器官的发育是对信号“交响乐”的响应。研究人员的果蝇器官数字模型整合了许多协调细胞运动、收缩、粘附和增殖的信号。它还结合了组成细胞的机械、化学和结构特性，并解释了这些特性是如何随着时间和不同位置而变化的。

模型和他实验室的实验结果都表明，有两种截然不同的化学信号通路，或信号序列，可以产生弯曲或平坦的组织——确定了产生特定形状的器官的灵活性和可调性。接受胰岛素信号的细胞导致组织曲度增加，而接受另外两种关键生长调节剂输入的细胞使组织变平。研究人员发现，这些生长调节剂还操纵细胞的内部框架，或细胞骨架，以进一步塑造细胞的大小和形状。

Zartman小组的总体目标是确定从模拟果蝇器官研究中归纳出的生物学规则在多大程度上能与植物、鱼类和人类等截然不同的系统共享。“我们未来的目标是开发一种数字原型器官，解决生物学中的一个基本问题——细胞是如何产生功能器官的?”Zartman说。