Cell System:哈佛大學(xué)研發(fā)學(xué)者借用數(shù)學(xué)模型闡明植物條紋

日期：2016-01-06

DOI：Ihttp://dx.doi.org/10.1016/j.cels.2015.12.001 作家：Sean Megason 

12月23日國際馳名生物學(xué)權(quán)威雜志《Cell》子刊《Cell System》雜志上在線刊登哈佛醫(yī)學(xué)院Sean Megason研發(fā)員的一篇研發(fā)論文，論文借用一個(gè)嶄新的模型闡明植物背部條紋的外形構(gòu)成與操控原因。Tom Hiscock為論文第一作家與一同通訊作家，Sean Megason研發(fā)員為論文通訊作家。

為什么老虎是豎條紋，斑馬魚是橫條紋?哈佛醫(yī)學(xué)院研發(fā)職員借用數(shù)學(xué)模型奉告咱們謎底。

老虎的背部本能夠像一起空缺的畫布同樣，什么圖案都沒有，可是大自然卻為這類大型貓科植物畫上了平行的條紋，這類條紋間的距離均等以及和脊柱垂直?？茖W(xué)家們并非非常清晰這類條紋是如何生成的，可是自從20時(shí)代50年代起，數(shù)學(xué)家們便開啟模仿也許的體制了。哈佛大學(xué)的研發(fā)職員把這一系列的模型都調(diào)整成了一個(gè)單獨(dú)的方程，以此來探明是哪類變量操控了生物條紋的生成。

“咱們想獲得一個(gè)十分簡潔的模型，但期望它范疇充足廣，并能同時(shí)容納各類不同的闡明。”Tom Hiscock 說道，他是哈佛醫(yī)學(xué)院Sean Megason體系生物試驗(yàn)室的博士生?！霸蹅?nèi)缃耥氁逦肿?、?xì)胞并且機(jī)器假說有什么一同之處，弄清晰這類后咱們就會(huì)知曉用什么樣的試驗(yàn)辨別它們了?！?/p>

數(shù)學(xué)上為條紋建模是極其簡潔的(況且許多相關(guān)這個(gè)課題的初期工作全是阿蘭·圖靈(Alan Turin)完結(jié)的)當(dāng)互相功效的物質(zhì)，例如色素、化學(xué)物或某種細(xì)胞顯現(xiàn)濃度波動(dòng)的時(shí)候，圖案就顯示出去了。但圖靈的模型沒有闡明為什么條紋會(huì)一致持續(xù)著特殊的方向。

Hiscock 的研發(fā)首要的目的是在條紋方向的問題。例如說，為什么老虎的條紋是垂直于肌體的，而斑馬魚的條紋是程度的。他調(diào)整的模型帶來到的一個(gè)較大的欣喜就是，只需對模型進(jìn)行一點(diǎn)小小的變化就能夠變化條紋的方向。但咱們現(xiàn)在不清晰這一流程是怎樣在生物身上實(shí)行的，例如是什么變量促使老虎的條紋展現(xiàn)出豎直狀況?

“咱們能夠用這個(gè)簡潔的數(shù)學(xué)方程來描繪條紋生成流程中產(chǎn)生了什么，可是我想咱們還不可準(zhǔn)確知曉詳細(xì)是什么分子或是細(xì)胞可以造成條紋的生成?！盚iscock 說道。有類基因突變能夠讓斑馬魚不生成條紋，而是構(gòu)成黑點(diǎn)。“可是問題在于那一個(gè)較大的相互功效網(wǎng)絡(luò)，因此任意屬性的改變都會(huì)造成圖案的變化?！彼a(bǔ)足道。

他首要的模型預(yù)判了三類也許會(huì)牽連條紋走向的擾動(dòng)原因：一個(gè)是“制造梯度”(production gradient)的變化，它會(huì)加大條紋圖案的密度;第二個(gè)是“屬性梯度”(parameter gradient)，它會(huì)造成與條紋生成相關(guān)的一個(gè)屬性的變化;最終一個(gè)是分子、細(xì)胞的物理擺列方向，或條紋的機(jī)器起源。

固然這篇論文是基于理論研發(fā)的，可是Hiscock 相信很快就能借助試驗(yàn)工具，驗(yàn)證生物體系的條紋生成體制能否遵循該數(shù)學(xué)模型。

原文鏈接：

原文摘要：

Patterning of periodic stripes during development requires mechanisms to control both stripe spacing and orientation. A number of models can explain how stripe spacing is controlled, including molecular mechanisms, such as Turing’s reaction-diffusion model, as well as cell-based and mechanical mechanisms. However, how stripe orientation is controlled in each of these cases is poorly understood. Here, we model stripe orientation using a simple, yet generic model of periodic patterning, with the aim of finding qualitative features of stripe orientation that are mechanism independent. Our model predicts three qualitatively distinct classes of orientation mechanism: gradients in production rates, gradients in model parameters, and anisotropies (e.g., in diffusion or growth). We provide evidence that the results from our minimal model may also apply to more specific and complex models, revealing features of stripe orientation that may be common to a variety of biological systems.