Модель французского флага - French flag model
Модель Французского флага представляет собой концептуальное определение из морфогена , описываемый Льюис Wolpert в 1960 - х годах. Морфоген определяется как сигнальная молекула, которая действует непосредственно на клетки (не посредством последовательной индукции ), вызывая специфические клеточные ответы, зависящие от концентрации морфогена. Во время раннего развития градиенты морфогенов генерируют разные типы клеток в различном пространственном порядке. Паттерны французского флага часто встречаются в сочетании с другими: развитие конечностей позвоночных является одним из многих фенотипов, демонстрирующих наложение Тьюринга с дополнительным паттерном (в данном случае паттерном Тьюринга ).
Обзор
В модели французского флага французский флаг используется для представления влияния морфогена на дифференцировку клеток: морфоген влияет на состояния клеток в зависимости от концентрации, эти состояния представлены разными цветами французского флага: высокие концентрации активируют "синий цвет". «ген, более низкие концентрации активируют« белый »ген, при этом« красный »используется в качестве состояния по умолчанию в клетках ниже необходимого порогового значения концентрации.
Модель французского флага отстаивала ведущий биолог по дрозофилам Питер Лоуренс . Christiane Nüsslein-Volhard идентифицировала первый морфоген, Bicoid , один из факторов транскрипции, присутствующих в градиенте в синцитиальном эмбрионе Drosophila . Две лаборатории, лаборатория Гэри Струла и Стивена Коэна , затем продемонстрировали, что секретируемый сигнальный белок Decapentaplegic ( гомолог дрозофилы трансформирующего фактора роста бета ) действует как морфоген на более поздних стадиях развития дрозофилы . Вещество определяет характер развития ткани и, в частности, положение различных специализированных типов клеток в ткани. Он распространяется из локализованного источника и образует градиент концентрации в развивающейся ткани.
Хорошо известные морфогены включают: декапентаплегический / трансформирующий фактор роста бета , Hedgehog / Sonic hedgehog , Wingless / Wnt , эпидермальный фактор роста и фактор роста фибробластов .
Некоторые из самых ранних и наиболее изученных морфогенов являются факторами транскрипции, которые диффундируют в ранних эмбрионах Drosophila melanogaster (плодовая муха). Однако большинство морфогенов - это секретируемые белки, передающие сигнал между клетками.
Морфогены определяются концептуально, а не химически, поэтому простые химические вещества, такие как ретиноевая кислота, также могут действовать как морфогены.
Трудности
В основе модели французского флага лежит идея, что морфоген автономно формирует градиент с отдельными клетками, считывающими концентрацию градиента. Затем клетки реагируют на специфический уровень градиента специфической дифференцировкой, чтобы соответствовать положению, которое градиент указывает на то, в каком они находятся. Хотя он широко признан в качестве важной модели для понимания морфогенеза , он не является общепризнанным всеми биологами, занимающимися развитием. Трудности со всеми градиентными моделями морфогенеза были подробно рассмотрены Натали и Ричардом Гордоном и включают семь конкретных моментов:
- Чтобы поддерживать градиент в устойчивом состоянии, должен быть сток, то есть способ, которым диффундирующие молекулы разрушаются или удаляются по пути и / или на некоторых границах. Приемники редко, если вообще когда-либо, даже рассматриваются при вызове градиентной модели.
- Если необходимо установить градиент, диффузия должна происходить в ограниченном пространстве. Однако многие организмы, такие как аксолотли, развиваются нормально, даже если желточная оболочка и слои студня удалены и развитие происходит в проточной воде.
- Диффузия зависит от температуры, однако развитие может протекать нормально при широком диапазоне температур у животных, яйца которых развиваются вне матери.
- Градиенты диффузии плохо масштабируются, но эмбрионы бывают разных размеров.
- Градиенты диффузии следуют принципу суперпозиции. Это означает, что градиент одного вещества в одном направлении и градиент того же вещества в перпендикулярном направлении приводят к единственному одномерному градиенту в диагональном направлении, а не к двумерному градиенту. Биологи развития часто используют двумерный градиент, даже если система двумерного градиента требует двух градиентов морфогенов с двумя разными источниками и стоками, расположенными приблизительно перпендикулярно друг другу.
- Колебания градиентов всегда происходят, особенно при низких концентрациях, обычно обнаруживаемых во время эмбриогенеза, что делает специфический ответ отдельной клетки на определенные пороговые значения концентрации проблематичным.
- Каждая клетка должна уметь точно «считывать» концентрацию морфогена, иначе границы между тканями станут рваными. Тем не менее, такие рваные границы встречаются редко.