Tidig utveckling är som en noggrant koreograferad dans, med enhetliga strängar av celler som arrangerar sig i utarbetade mönster - ett första steg mot bildandet av funktionella organ. Ett plant lager av hudceller, till exempel, måste övergå till ett översållat med snygga uppsättningar av hårceller och svettkörtlar.

En ny studie från Laboratory of Morphogenesis vid Rockefeller University, tillsammans med Amy Shyer och Alan Rodrigues, avslöjar att utvecklingsmönster kan uppstå spontant från fysisk interaktion mellan cellkollektiv och matrisen som omger dem. Sådana interaktioner genererar vätskeliknande egenskaper som möjliggör mönsterbildning analogt med hur en vattenfilm på vindrutan dras tillbaka till droppar.

Genom att använda kycklingskinn som ett modellsystem fann forskarna att mekaniska krafter mellan celler bryter vävnadens symmetri och knuffar cellerna att samlas till periodiskt åtskilda buntar som senare kommer att växa fjädrar i hela hudvävnaden. Dessa strukturella förändringar utlöser sekundära genuttrycksförändringar som leder till klassisk molekylär signalering, vilket driver utvecklingen vidare.

Fynden, publicerade i Cell , ge en bättre förståelse för de fysiska faktorer som är involverade i utformningen av organ.

"Orgelutveckling innebär ett kontinuerligt samarbete mellan mekaniska och molekylära processer", säger biträdande professor Amy Shyer. "Att förstå den exakta sekvensen av stegen i den återkopplingsslingan kan hjälpa oss att reparera vävnader eller studera tumörbildning från nya vinklar."

Stigande strukturer

När nya organ dyker upp ur homogen embryonal vävnad, verkar de ta den optimala strukturen ur många möjligheter. "En av de mystiska sakerna med dessa strukturer är att de har ett perfekt mönster inbyggt i dem som verkligen maximerar effektiviteten av deras funktion", säger Shyer.

Historiskt sett fick gener mycket av äran för denna bedrift av biologisk ingenjörskonst. Det är våra gener, gick tanken, som ger en molekylär ritning som bestämmer hur celler specialiserar sig i organspecifika komponenter och hur de ordnar om sig själva för att ge upphov till intrikata strukturer. Men vissa forskare har hittat skäl att ifrågasätta den teorin. Till exempel bildas vissa strukturer i så stor skala att det är svårt att förklara hur molekylära signaler övervakar mönsterbildning över ett så långt intervall, vilket antyder att andra mekanismer måste vara på gång.

Med ett alternativt perspektiv fokuserar Shyer och Rodrigues på den roll som kollektiv cellmekanik spelar i morfogenesen. Deras tidigare arbete har visat att morfologiska förändringar i fågelhuden uppträder innan de gener som är inblandade i follikelbildningen uttrycks. "Så det är inte nödvändigtvis generna som initierar de första morfologiska förändringarna," säger Rodrigues. "Istället upptäckte vi att cellerna självorganiserar sig för att initiera folliklar. Samtidigt visste vi inte den exakta mekanismen som möjliggör denna självorganisering."

Kollektiv justering

I den nya studien satte Shyer och Rodrigues team ut för att ta en närmare titt på vad som exakt driver vävnaden att förändras. För att zooma in på ögonblicken som ledde fram till mönsterbildningen använde forskarna primära hudceller som nyligen tagits från kycklingembryon och tillsatte kollagen, en viktig komponent som ger struktur till huden. Bara dessa två ingredienser räckte för att hela processen skulle utvecklas i en labbskål. Detta system gjorde det möjligt för forskarna att rekonstruera naturlig hudutveckling och samtidigt eliminera eventuella molekylära signaler från närliggande vävnader.

Karl Palmquist, huvudförfattare till studien, såg processen för cellaggregation ruta för ruta, fann att de kontraktila hudcellerna började fästa sig vid det nätliknande, kollagenbaserade substratet som omger dem och dra i det. Han gjorde sedan en viktig observation:Drakraften hos många celler justerar om matrisen till en högordnad struktur som motstår dragningen. Cellerna, som känner av den ökade spänningen, drar ihop sig alltmer, vilket ökar sin dragning. Så småningom genererar ömsesidiga krafter mellan cellerna och den extracellulära matrisen kollektiv inriktning av celler som gör att cellfältet kan omvandlas till ett ordnat mönster av follikelliknande aggregat.

Tillsammans med Anna Erzberger, en senior författare som var en tidigare postdoc i James A. Hudspeths labb och för närvarande är gruppledare vid European Molecular Biology Laboratory i Heidelberg, Tyskland, utvecklade teamet en teoretisk modell för att utveckla hud baserad på vätskors fysikaliska egenskaper. Denna modell förutspådde exakt den spontana bildningen av vanliga flercelliga aggregat.

Teamet planerar att undersöka hur liknande multicellulär mekanik kan vara integrerad i att strukturera andra vävnader i kroppen i utveckling och sjukdom.