[论文解读] Mechanics of epithelial tissue formation in early insect embryos

Tania Vazquez-Faci, Ruben van Drongelen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2017

Insect behavior and control techniques被引用 1

一句话总结

本文提出了一种早期昆虫胚胎中上皮组织形成的力学模型，表明均匀的细胞生长可导致细胞形状的Voronoi镶嵌结构，该结构与果蝇和面粉甲虫的实验数据完全吻合，且无需调节参数。该模型表明，同步的细胞生长对于模式稳定性至关重要，因为差异化的生长会破坏镶嵌结构。

ABSTRACT

A key process in the life of any multicellular organism is its development from a single egg into a full grown adult. The first step in this process often consists of forming a tissue layer out of randomly placed cells on the surface of the egg. We present a model for generating such a tissue, and find that the resulting cellular pattern corresponds to the Voronoi tessellation of the nuclei of the cells. Experimentally, we obtain the same result in both fruit flies and flour beetles, with a distribution of cell shapes that matches that of the model, without any adjustable parameters. Finally, we show that this pattern is broken when the cells do not all grow at the same rate.

研究动机与目标

• 理解早期昆虫胚胎中随机排列的细胞如何形成上皮组织的力学原理。
• 确定细胞生长动力学本身是否足以生成上皮组织中观察到的细胞模式。
• 检验由此产生的细胞形状是否与核位置的Voronoi镶嵌结构一致，且无需调节参数。
• 研究均匀细胞生长在维持组织模式完整性中的作用。

提出的方法

• 将胚胎表面建模为二维细胞片层，其中细胞核随机分布。
• 模拟随时间推移的均匀细胞生长，假设细胞各向同性扩张并保持接触。
• 计算核位置的Voronoi镶嵌以预测最终的细胞形状。
• 将模拟的细胞形状分布与果蝇和钝角书虱胚胎的实验数据进行比较。
• 在模拟中引入差异化的生长速率，以测试模式的鲁棒性。
• 使用定量的形状分布指标，验证模型与实验观察的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅靠均匀的细胞生长是否足以生成早期上皮组织中观察到的细胞模式？
• RQ2 果蝇和面粉甲虫中实验观察到的细胞形状分布是否与核位置的Voronoi镶嵌结构一致？
• RQ3 当细胞生长速率不一致时，模型的预测是否依然稳健？
• RQ4 模型是否能在不调节参数的情况下复现实验数据？
• RQ5 细胞生长不同步对组织组织的机械后果是什么？

主要发现

• 该模型中模拟的细胞形状分布与果蝇和面粉甲虫的实验分布完全一致，且无需调节参数。
• 由此产生的细胞模式与胚胎中核位置的Voronoi镶嵌结构高度吻合。
• 两种物种的实验数据均显示其形状分布与模型预测一致。
• 当细胞生长速率不一致时，类Voronoi模式崩溃，表明生长同步性对模式形成至关重要。
• 该模型仅通过生长和接触的力学原理，成功复现了观察到的组织形态。