En ny beräkningsmodell som simulerar utveckling av fruktflugavingar har gjort det möjligt för forskare att identifiera tidigare dolda mekanismer bakom organgenerering.
Eftersom organ utvecklas på anmärkningsvärt liknande sätt i fruktflugor och människor, kan biologiska insikter från denna modell användas för att informera om diagnos och behandling av mänskliga sjukdomar som cancer, Alzheimers och medfödda genetiska fosterskador.
Jeremiah Zartman, docent i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid University of Notre Dame, arbetade med ett multidisciplinärt forskarteam som inkluderade medarbetare från University of California, Riverside för att utveckla en fruktflugamodell för att omvända konstruktionen av mekanismerna som genererar organvävnad.
Teamets resultat, som ger en djupare förståelse för de kemiska och mekaniska spakarna som reglerar organcellers storlek och form, har publicerats i Nature Communications .
"Vi försöker simulera ett organ i datorn - att effektivt skapa en digital tvilling av det organet," sa Zartman. "Vi tar de olika cellerna och delarna av celler för att se om vi kan förutsäga hur de kommer att interagera med varandra."
Organ utvecklas som svar på vad Zartman kallar en "symfoni" av signaler. Forskarnas modell för fruktflugor integrerar de många signalerna som orkestrerar cellrörelser, sammandragning, vidhäftning och spridning. Den innehåller också de mekaniska, kemiska och strukturella egenskaperna hos cellkomponenter och redogör för hur dessa egenskaper förändras över tid och på olika platser.
Både modellen och hans labbs experimentella resultat visade att det fanns två distinkta klasser av kemiska signalvägar, eller sekvenser av signaler, som producerar antingen krökta eller platta vävnader – vilket identifierar flexibiliteten och anpassningsbarheten för att generera ett organ med en specificerad form.
Celler som fick signaler från insulin ledde till en ökning av vävnadens krökning, medan celler som fick input från två andra nyckeltillväxtregulatorer plattade vävnaden till. Forskarna upptäckte att dessa tillväxtregulatorer också manipulerade cellens inre ram, eller cytoskelett, för att ytterligare skulptera cellstorlek och form.
Zartman-gruppens övergripande mål är att identifiera i vilken utsträckning de biologiska reglerna från simulerade flugorganstudier delas med system så distinkta som växter, fiskar och människor.
"Vårt mål för framtiden är att utveckla ett digitalt prototyporgan som tar itu med en grundläggande fråga inom biologi - hur genererar celler funktionella organ?" sa Zartman.
Mer information: Nilay Kumar et al, Balansering av konkurrerande effekter av vävnadstillväxt och cytoskelettreglering under utveckling av Drosophila vingskivor, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46698-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Notre Dame
