[論文レビュー] The nonlinear initiation of side-branching by activator-inhibitor (Turing) morphogenesis

Arik Yochelis|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Plant Molecular Biology Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、肺や腎臓などの生物学的系における側枝形成が、活性化因子・抑制因子機構における非線形で亜臨界的なチューリング分岐によって引き起こされることを提案している。一次元では不安定な活性化因子ピークが核化部位として出現し、それが二次元において新たな枝の形成を引き起こす。これは形態形成に向けた頑健で非線形なメカニズムを提供し、植物の根や細胞の突出構造など他の系へも拡張可能である。

ABSTRACT

An understanding of the underlying mechanism of side--branching is paramount in controlling and/or therapeutically treating mammalian organs, such as lungs, kidneys, and glands. Motivated by an activator-inhibitor approach that has been shown to dominate the initiation of side--branching in lung-vasculature, I demonstrate that the mechanism stems from the nonlinear (subcritical) Turing bifurcation, giving rise to unstable activator peak solutions in one-spatial dimension (1D), which serve as nucleation sites for the development of new fingers that grow in a direction perpendicular to the differentiation front in 2D. The results demonstrate a fundamentally distinct and robust nonlinear mechanism through a bifurcation analysis and provide an essential step toward developing a mechano-biochemical framework not only of side--branching but also of other biological systems, such as plant roots and cellular protrusions.

研究の動機と目的

• 哺乳類の肺、腎臓、および腺などの臓器における側枝形成の根本的メカニズムを理解すること。
• 活性化因子・抑制因子系がチューリングパターンに基づく場合、それが側枝形成の開始を説明できるかどうかを調査すること。
• 安定な核化部位としての新規枝形成の背後にある非線形（亜臨界）分岐が存在するかどうかを特定すること。
• 胚発生を越えて、植物の根や細胞の突出構造などに適用可能な力学的・生化学的フレームワークを確立すること。

提案手法

• 一次元空間における活性化因子・抑制因子ダイナミクスを有する反応拡散系の分岐解析を実施すること。
• 亜臨界チューリング分岐が生じ、局所的で不安定な活性化因子ピークが出現することを同定すること。
• 一次元解析を二次元に拡張し、分化フロントに垂直に新規枝が成長するのをモデル化すること。
• 活性化因子ピーク解の安定性およびダイナミクスを分析し、核化部位としての役割を評価すること。
• 数学的モデリングを用いて、活性化因子濃度の局所的ピークが新規の指状突出構造を誘発する仕組みを示すこと。
• 非線形パターン形成と生物学的形態形成を結びつける理論的枠組みを構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発生中の臓器における側枝形成の開始を規定する分岐の種類は何か？
• RQ2 一次元における局所的活性化因子ピークが、なぜ二次元での新規枝の出現を引き起こすのか？
• RQ3 なぜチューリング分岐の亜臨界性が新規枝の頑健な核化に不可欠なのか？
• RQ4 このメカニズムが、植物の根や細胞の突出構造を含む多様な生物学的系における分岐をどの程度説明できるのか？
• RQ5 活性化因子・抑制因子系の非線形ダイナミクスは、どのようにして信頼性高く再現可能な分岐パターンを保証するのか？

主な発見

• 側枝形成の開始は、一次元空間における不安定な活性化因子ピークを生じる亜臨界チューリング分岐に起因する。
• これらの不安定な活性化因子ピークが、二次元空間において分化フロントに垂直に成長する新規枝の核化部位として機能する。
• このメカニズムは本質的に非線形であり、線形または超過臨界チューリングパターンとは明確に区別される。
• 局所的ピーク形成を通じて、再現性のある分岐パターンを生成するというメカニズムの頑健性がモデルで示された。
• このフレームワークは、肺の血管網、植物の根、細胞の突出構造を含む多様な系における分岐を統一的に説明する。
• 本研究の結果は、形態形成に関するより広範な力学的・生化学的理論の基盤を確立した。