Articles

murtuminen haarniska

Amniooteilla on keratinisoitu orvaskesi, joka estää veden häviämisen ja ihon lisäkkeet, joilla on suuri merkitys lämmönsäätelyssä, fotosuojauksessa, naamioitumisessa, käyttäytymisen näyttämisessä ja puolustautumisessa saalistajia vastaan. Siinä missä nisäkkäät ja linnut kehittivät karvoja ja höyheniä, matelijat kehittivät erilaisia suomuja. Vaikka niiden kehitysprosessit jakavat joitakin signalointireittejä, on epäselvää, ovatko nisäkkäiden karvat, lintujen höyhenet ja jalkojen suomut sekä matelijoiden suomut homologisia vai kehittyivätkö jotkin niistä konvergenssisesti (1). Lintuilla ja nisäkkäillä reaktiodiffuusiomekanismi (RDM) (2) synnyttää paikalliskuvion plakodeista, jotka kehittyvät ja erilaistuvat follikulaarisiksi elimiksi, joissa on ihopapilla ja kiertokasvu, jossa on pitkänomainen keratinisoitunut epidermaalinen rakenne (karvat tai höyhenet) (3). Matelijoiden suomut eivät kuitenkaan muodosta varsinaisia munarakkuloita eivätkä välttämättä kehity placodeista (4). Sen sijaan matelijan suomut saavat alkunsa alkiossa säännöllisistä ihoreaktioista (1). Siinä missä matelijan ruumiin suurimman osan suomujen säännöllinen tilajärjestely määräytyy RDM: n avulla, monien käärmeiden ja liskojen päässä olevien suomulaattojen kehittymiseen liittyy todennäköisesti myös muita sijaintivihjeitä. Nämä pään suomut muodostavat ennustettavan symmetrisen kuvion (Kuva. 1A) ja tarjoavat mekaanisen suojan.

cer1.jpg

Kuva. 1. Pään asteikkojen alueellinen jakautuminen. (A) pään suomut useimmissa käärmeissä (tässä maissikäärme) ovat monikulmioita (kaksi ylempää paneelia), joilla on stereotyyppinen tilajakauma (kaksi alempaa paneelia): vasen (keltainen) ja oikea (punainen) asteikon reunat ovat päällekkäin heijastuessaan sagittaalitason yli (sininen). B) monikulmaisilla pään suomuilla on krokotiileilla pitkälti satunnainen tilajakauma, jossa ei ole symmetristä vastaavuutta vasemman ja oikean välillä. (C) eri yksilöiden pään suomuilla on erilaiset jakaumat suomujen koosta ja lokaalisuudesta (ylä-ja alakrokotiileilla siniset ja punaiset reunat).

menetelmä: 3D-geometria ja värirakenne rekonstruktio

tekijät ottivat jokaisesta eläimestä 120 värikuvaa luodakseen yksityiskohtaisia, kolmiulotteisia malleja matelijoiden päistä. Katso video, jossa tekijät kertovat tarkemmin mallintamistavoistaan.

paneeli a

paneeli a näyttää maissikäärmeen pään suomujen tilajakauman. Punaiset ja keltaiset viivat edustavat pään vasemmalla ja oikealla puolella olevia asteikon reunoja. Alapaneeli osoittaa, että vaa ‘ an kuvio on symmetrinen pään poikki.

paneeli B

paneeli B näyttää niilinkrokotiilin pään suomujen paikkajakauman. Kuten alapaneelista näkyy, krokotiilin pään vasemmalla ja oikealla puolella olevat suomukuviot eivät ole symmetrisiä toisiinsa nähden, toisin kuin maissikäärmeen kuviointi.

paneeli C

paneeli C näyttää myös krokotiilin pään suomujen tilajakauman. Tässä paneelissa näkyy kahden yksittäisen krokotiilin pään suomukuviot. Peittoamalla skaalakuviot tekijät osoittavat, että mittakaavan koko ja sijainti eivät ole yhdenmukaisia yksilöiden välillä. Yksilön tarkka mittakaava on ainutlaatuinen, ja sitä voitaisiin käyttää ihmisten sormenjälkien tavoin yksilöiden tunnistamiseen.

krokotiilieläinten kasvoja ja leukoja peittävät monikulmioiset suomut (jäljempänä” pään suomut”), jotka ovat tiukasti vierekkäisiä ja ei-peittäviä, mutta nämä monikulmiot ovat epäsäännöllisiä ja niiden alueellinen jakauma vaikuttaa suurelta osin satunnaiselta (Kuva. 1, B ja C). Käyttämällä korkean resoluution kolmiulotteista (3D) geometriaa ja tekstuurirekonstruktioita (5-7) sekä kehitysbiologian tekniikoita osoitamme, että krokotiilieläinten pään asteikot eivät ole geneettisesti ohjattuja kehitysyksiköitä ja että niiden spatiaalinen kuviointi syntyy elävän kudoksen fyysisestä murtumisesta stressikentässä. Tähän ilmiöön ei välttämättä liity mitään erityistä geneettistä ohjeistusta niiden lisäksi, jotka liittyvät solujen lisääntymiseen ja yleisiin fysikaalisiin parametreihin, kuten ihon jäykkyyteen ja paksuuteen.

merkitsemällä ja analysoimalla erilaisia ominaisuuksia suoraan useiden Niilinkrokotiilien (Crocodylus niloticus) yksilöiden 3D-malleihin (Kuva. 1 ja elokuva S1), osoitamme, että alueellinen jakautuminen pään asteikot on suurelta osin satunnainen.

ensinnäkin suomujen reunaverkoston heijastuminen sagittaalitason yli osoittaa suurta vaihtelua vasemman ja oikean pään kuvion välillä (Kuva. 1B ja kuva. S1A). Toiseksi eri yksilöiden pään geometrioiden nonrigid-linjaus (8)osoittaa yhtä suurta vaihtelua mittakaavoissa monikulmioiden koon ja lokaalisuuden suhteen (kuva. 1C ja kuva. S1B).

tämä järjestyksen ja kaaoksen yhdistelmä pään suomujen jakautumisessa muistuttaa saippuavaarojen topologista kokoonpanoa (9, 10). Viimeaikaiset tutkimukset käyttivät 2D-vaahtomallia itseorganisoituvien periaatteiden ja stokastisten prosessien tutkimiseen epiteelitopologian muotoiluun kasvun ja homeostaasin aikana (11-13), koska syy-seuraus-solupinnan mekaniikka on verrattavissa vaahdonmuodostuksen fysiikkaan (14). Vastaavasti krokotiilin pään suomujen malli voi johtua siitä, että kosketuspintojen energia minimoidaan geneettisesti määritettyjen alkuaineiden (suomujen) kesken. Kaksi muuta mekanismia voisi kuitenkin tuottaa monikulmaisten elementtien satunnaisia jakaumia: i) RDM-malli, joka kuvaa geneettisesti määritettyjen kehitysyksiköiden alueellista organisaatiota, kuten nisäkkäiden karvojen tai lintujen höyhenten osalta, ja ii) materiaalikerroksen halkeilu, joka aiheuttaa sen murtumisen viereisiin monikulmaisiin alueisiin (15).

vaikka näiden prosessien synnyttämillä stokastisilla kuvioilla on joitakin yleisiä matemaattisia ominaisuuksia (KS.lisämateriaalit), Vaahdot ja halkeamat syntyvät hyvin erilaisista fysikaalisista ilmiöistä, jotka voidaan tunnistaa muiden tilastollisten ominaisuuksien perusteella. Ensinnäkin krokotiilin pään suomut eivät näytä sopivan hyvin vaahtojen odotettavissa olevaan aluejakotoimintoon (kuva. S3). Toiseksi olennainen ero vaahtojen ja halkeamakuvioiden välillä on se, että viimeksi mainituissa voi esiintyä epätäydellisiä reunoja (15), joista monet on havaittu krokotiilien päässä (Kuva. 2 A).

cer2.jpg

Kuva. 2. Murtumisen merkkejä. (A) monet krokotiilien päässä olevat suomunreunat ovat toisesta tai molemmista päistä irrallisia. (B) kolme epätäydellistä halkeamaa vuorovaikuttavat symmetrisesti. (C) reunat suunnataan uudelleen (nuolet) ja yhdistetään lähes 90°: n kulmiin. (D)” Laddering ” välillä rinnakkain ensisijainen halkeamia. E) 90° verkon rajayhteydet. F) Korean demokraattiset kansantasavallat ovat pigmentoituneita aistinelimiä (vasemmalla), joissa on modifioitu orvaskesi (oikealla osa alkiovaiheessa E70 eli 70 päivän kuluttua munasolujen inkubaatiosta) ja haarautunut hermotasku (valkoiset nuolenkärjet). G) epätäydelliset halkeamat, jotka pysähtyvät DPR: n lähelle (oranssit pisteet). H) halkeamien leviämisellä vältetään Korean demokraattista kansantasavaltaa.

paneeleissa A ja B

paneeleissa A ja B on epätäydelliset mittakaavan reunat eli reunapäät, jotka eivät yhdisty toiseen reunaan. Saippuavaahdon muodostumiseen perustuva malli ei ennusta epätäydellisten reunojen muodostumista, mutta kutistumisesta johtuvaa halkeilua malli ennustaa. Siksi kirjoittajat päättelevät näiden havaintojen tukevan hypoteesia, jonka mukaan suomut muodostuvat halkeilemalla.

paneeli C

paneeli C näyttää hierarkkista asteikon reunakuviota. Halkeama, joka etenee olemassa olevasta halkeaman päästä, pyrkii muodostamaan 90 asteen kulmassa toisen reunan kanssa, johon se yhdistyy. Paneelissa C olevat mustat nuolet osoittavat esimerkkejä lisääntyvistä halkeamista. Paneeleissa D ja E on “laddering” halkeamia, jotka on osoitettu samansuuntaisina halkeamina, jotka liittyvät kahteen vanhempaan halkeamaan tai ulkoreunaan.

paneeli F

paneeli F on krokotiilin alkiosta peräisin oleva orvaskeden histologinen tahra. Krokotiilin päässä ja leuassa olevat kupupainereseptorit eli kokonaiselintunnistuselimet näkyvät ruskeina täplinä. Valkoiset nuolet osoittavat hermojen haarautuvan kupupainereseptorin alapuolella.

paneelit G ja H

paneelit G ja H osoittavat kupupainereseptorien ja asteikon reunojen välisen spatiaalisen suhteen. Reunat päättyvät kupupainereseptoreihin tai vältä niitä.

toinen keskeinen ominaisuus on kulmien välinen kulma solmuissa. Vaahdoissa särmät ovat ympyränmuotoisia kaaria, jotka leikkaavat vain kolme kerrallaan 120°: n kulmassa, minkä aiheuttavat kolme hetkellistä yhtä pitkää jännitysvoimavektoria, jotka toimivat solmussa. Tämä sääntö on havaittu kaikentyyppisissä vaahdoissa, mukaan lukien eläinten epiteelit (12, 16), joskin kulmien jakautuminen voi laajentua solunjakautumisen ja kasvun aiheuttaman paikallisen stressin vuoksi. Toisaalta halkeamiskuviot voivat tuottaa erilaisia kulmajakaumia. Nonhierarkical halkeilua syntyy, kun murtumat etenevät samanaikaisesti (Kuva. 2B), ja liittymät yleensä muodostavat 120° (17, 18). Lisäksi, kun halkeama etu halkeaa, tai kun useita halkeamia on tummentunut yhdestä pisteestä, myös reunojen väliset liitokset ovat yleensä 120°. Vastaavasti halkeamakuviot voivat olla hierarkkisia (17, 19); eli murtumat muodostuvat peräkkäin, ja levittävät halkeamat tapaavat liittyä aiempiin halkeamiin 90° kulmassa. Halkeamaan nähden kohtisuorassa oleva paikallinen jännitys on todellakin rento ja tiivistyy halkeaman kärkeen (selittäen sen etenemisen), mutta halkeaman kanssa yhdensuuntaiseen jännityskomponenttiin se ei vaikuta. Kun halkeamat siis etenevät kohtisuoraan suurimman jännityskomponentin suuntaan, sekundaarinen halkeama voi kääntyä, kun se lähestyy vanhempaa halkeamaa ja pyrkii liittymään siihen 90°: ssa. Vastaavasti jos halkeama alkaa vanhemman halkeaman kyljestä, se pyrkii aluksi etenemään suorassa kulmassa (17). Krokotiilien kasvoissa ja leuoissa on useita esimerkkejä 90°: n liitoksista ja epätäydellisistä reunoista, jotka suuntaavat etenemisrintaman uudelleen (Kuva. 2C). Havaitsemme myös” laddering ” – kuvioita (17) parillisista rinnakkaisista primaarisista murtumista, joissa on kohtisuorassa useita sekundaarisia halkeamia (Kuva. 2D)ja sisäreunat, jotka yhdistävät kohtisuorasti verkon rajaan (Kuva. 2 E). Reunakulmien jakautumisfunktio on bimodaalinen monissa analysoiduissa krokotiileissa (kuva. S4A), mikä viittaa joko siihen, että hierarkkiset ja ei-hierarkkiset krakkausprosessit ovat rinnakkain tai siihen, että pään mittakaavan verkoissa tapahtuu “kypsymisprosessi” (20-22) (KS.täydentävä teksti).

Kupupainereseptorit (DPRs) ovat pigmentoituneita pyöreitä submillimetrisiä aistinelimiä (Kuva. 2F), joka jakautuu krokotiilin kasvoihin ja leukoihin, jotka havaitsevat pintapaineaallot, jolloin krokotiilit voivat suunnata nopeasti pimeässäkin kohti veden ja ilman rajapintaa häiritsevää saalista (23). DPRs: n kupumuoto johtuu muokatusta orvaskedestä ja siitä, että verinahan uloimmassa osassa on eri solutyyppien tasku (Kuva. 2). Merkitsimme Pohjois-Korean lokalisoinnin kaikkien skannattujen yksilöiden 3D-malleihin (oranssit pisteet, Kuva. 2, G ja H). Monet kurssinsa pysäyttäneet halkeamat tekivät niin lähellä DPR:ää (Kuva. 2G ja fig. S4C). Koska murtumapidätyksen yleisin syy on silloin, kun halkeaman rintama kohtaa heterogeenisyyden järjestelmässä (15), on todennäköistä, että muuttunut ihon paksuus ja koostumus Korean demokraattisessa kansantasavallassa ja sen ympäristössä muodostavat tällaisen heterogeenisyyden. Lisäksi monien reunojen kulku välttää Korean demokraattisen kansantasavallan (Kuva. 2H ja fig. S4C).

Korean demokraattisen kansantasavallan yleinen jakauma vaikuttaa melko homogeeniselta, paitsi jos tiheys kasvaa lähellä hampaita ja vähenee leukojen takaosassa ja kasvojen yläosassa (kuva. S5). Eri krokotiiliyksilöt eroavat toisistaan jopa 21 prosenttia Korean demokraattisten kansantasavaltojen kokonaismäärässä ja 48 prosenttia halkeamien reunoissa. Huomattavaa on, että nämä kaksi yksilöiden välistä vaihtelua korreloivat kääntäen keskenään: krokotiileilla, joilla on vähemmän Korean demokraattista kansantasavaltaa, on enemmän halkeamien reunoja (kuva. S4D). Koska Korean demokraattisen kansantasavallan kehitys edeltää halkeilua, tämä korrelaatio viittaa siihen, että Korean demokraattinen kansantasavalta rajoittaa halkeilua, kuten Fig jo antoi ymmärtää. 2, G ja H. huolimatta siitä, että halkeamien ja Korean demokraattisen kansantasavallan jakaumilla on molemmilla vahva stokastinen komponentti, Korean demokraattisen kansantasavallan rajoittava vaikutus halkeiluun on huomattava: reunat kulkevat yleensä Pohjois-Korean alhaisimman paikallisen tiheyden vyöhykkeillä (kuva. S4E).

arkkityyppinen halkeiluprosessi fysiikassa johtuu värittömään alustaan kiinnittyneen materiaalikerroksen kutistumisesta (15, 17) siten, että jännityskenttä muodostuu ja aiheuttaa murtumia, kun jännitys ylittää materiaalille ominaisen kynnysarvon. Krokotiileilla on erityisen paksu ja jäykkä iho, joka johtuu voimakkaasti kollageenisesta verinahasta ja orvaskedestä, jossa on runsaasti β-keratiineja (24). Niiden pään peittävässä ihossa on vielä paksumpi (noin 2×) ja keratinisoituneempi orvaskesi. Ehdotamme, että krokotiilin alkion kasvojen ja leuan luurangon nopea kasvu (suhteessa neurokraniumin kokoon) yhdistettynä erittäin keratinisoituneen ihon kehittymiseen synnyttää mekaanisen rasituksen, joka aiheuttaa halkeilua. Tässä, se ei ole halkeilua kerros, joka kutistuu, mutta taustalla Alustan kerros, joka kasvaa. Se selittää, että ensimmäisen kertaluvun halkeamia (kuva. S6) kulkee yleensä kasvojen leveydellä, koska pää kasvaa pituussuunnassa nopeammin kuin muihin suuntiin.

käärmeillä ja liskoilla suomut ovat kehitysyksiköitä: Jokainen asteikko erottaa ja kasvaa primordium, joka voidaan tunnistaa in situ hybridisaatio koettimien kohdentaminen geenejä, jotka kuuluvat signalointireittejä mukana varhaisessa ihon lisäke kehitystä (1, 4). Suuret pään suomut muodostavat ennalta arvattavan kuvion, joka seuraa paikkavihjeitä siten, että aikuisten käärmeenpään suomujen identiteetti voidaan tunnistaa niiden kehittyessä primordiasta alkiossa (viikuna. 3 A). Krokotiileilla kaikki postcraniaaliset suomut noudattavat samaa kehitysperiaatetta (Kuva. 3B): Spatiaalinen jakauma primordia on perustettu, sitten jokainen primordium differentiates, ensimmäinen osaksi symmetrinen korkeus ja toinen kuin suuntautunut epäsymmetrinen asteikko päällekkäisiä enemmän posterior asteikot (Kuva. 3C).

cer3.gif

Kuva. 3. Krokotiilin pään suomut eivät ole kehitysyksiköitä. (A) käärmeissä jokainen ruumiin asteikko (ventraalinen, v; latero-dorsal, ld) eroaa primordiumista (Shh-geeni-anturi in situ-hybridisaatiota varten, maissikäärmeen alkio); pään suomut kehittyvät myös primordiasta, jossa sijaintiviitat määrittävät asteikon identiteetin (la, labiaalivaaka; r, rostral; n, nenän; in, internasal; pf, prefrontal; pro, preocular; so, supraocular; pto, postocular). (B) Postcranial asteikot (zoom runkoon, Ctnnb1 koetin) myös kehittää primordia että (C) eriytyä symmetrinen, sitten suuntautunut epäsymmetrinen ja päällekkäisiä, asteikot. (D) krokotiilin pään suomut eivät koskaan muodosta asteikkoa primordia, vaan kehittävät DPR: n kuvion (yksi DPR ympyröity katkoviivalla; kupolin muoto näkyvissä E45: ssä) ennen kuin mitään asteikkoa ilmestyy (anturi: Ctnnb1).

Scale primordia express specific genes

the authors use in situ hybridization to measure express of these specific genes to identification primordia. In situ-hybridisaatio on tekniikka, jossa merkittyä RNA: n tai DNA: n palasta, jota kutsutaan koettimeksi, joka täydentää kiinnostavan geenin, lokalisoidaan kudokseen. Merkityn luotaimen emäsparina on mRNA-sekvenssi, ja siten merkitään solut aina, kun kiinnostavan geenin transkriptio on läsnä. Lisätietoja in situ hybridisaatio, katso tämä video.

paneeli a

paneelissa a tekijät suorittavat in situ-hybridisaation maissikäärmeen alkiolle. Käytetty luotain täydentää asteikolla primordia ilmaistua transkriptiota, ja siksi tummat täplät osoittavat asteikolla primordia. Aikuisen maissikäärmeen pään suomut näkyvät oikeassa paneelissa eri väreissä. Vertaamalla asteikon primordian asemaa aikuisten pään suomuihin kirjoittajat päättelevät, että maissikäärmeen pään suomut kehittyvät asteikosta primordia.

paneeli C

seuraavaksi kirjoittajat tarkastelivat krokotiilin postcraniaalista asteikkoa tekemällä in situ-hybridisaation krokotiilin alkiolle. Kuten käärmeen alkion paneelissa a, käytetty in situ-luotain täydentää asteikolla primordia ilmaistua transkriptiota, joten tummat täplät ilmaisevat asteikolla primordia. Paneeli C näyttää poikkileikkaukseltaan asteikon muodostumiseen johtavien morfologisten muutosten ajankulun: asteikkojen kohoumat ja niiden päällekkäisyydet. Kirjoittajat päättelevät, että myös krokotiilin postcraniaaliset suomut kehittyvät scale primordiasta.

ruudut G ja H

kirjoittajat tutkivat tämän jälkeen krokotiilin pään suomuja. Paneeli D näyttää krokotiilin pään ja leuan in situ-hybridisaation käyttäen samaa koettinta kuin paneelissa B. krokotiilin päässä ja leuassa on pieniä tummia täpliä, mutta ne vastaavat DPR / ISO-reseptoreita, eivät suomuja. Näin ollen pään ja leuan suomut eivät ole peräisin asteikon alkukantaisuudesta, mutta DPR/Isot ovat. Paneelin oikealla puolella olevat histologiset kohdat vahvistavat, että kupupainereseptorien muodostuminen tapahtuu ennen pään suomujen muodostumista.

krokotiilin pään suomut eivät kuitenkaan muodostu asteikosta primordia tai myöhemmistä kehitysvaiheista. Sen sijaan kasvoihin ja leukoihin syntyy dprs primordian kuviointi: DPRs: n kupumuoto on alkanut muodostua jo ennen minkään mittakaavan ilmaantumista (Kuva. 3D). Sen jälkeen urat vähitellen näkyvät, etenevät ja kytkeytyvät toisiinsa (välttäen samalla Korean demokraattista kansantasavaltaa) muodostaen jatkuvan verkoston kehittyvän ihon poikki (Kuva. 4 A). Prosessissa syntyy monikulmaisia ihodomeeneja, joista jokainen sisältää satunnaisen määrän Korean demokraattista kansantasavaltaa. Siksi krokotiilien (i) kasvoissa ja leuoissa olevat suomut eivät ole sarjahomologeja muualla kehossa eivätkä (ii) ole edes geneettisesti ohjattuja kehitysyksiköitä. Sen sijaan ne syntyvät fyysisestä murtumisesta.

cer4.jpg

Kuva. 4. Krokotiilin pään iho halkeaa kehityksen aikana. (A) ei ole merkkejä halkeilua E45 (mutta DPRs primordia on jo kehitetty, Fig. 3D), sitten ensisijainen halkeamia (nuolenkärkiä) näkyvät sivuilla yläleuan ja etenevät kohti yläreunassa Kasvot (katkoviiva). E65: ssä primaarihalkeamat ylettyivät päälaelle ja niitä seuraavat sekundaarihalkeamat muissa suunnissa (nuolissa). (B) kolme peräkkäistä ihon lohkoa primaaristen (pc) ja sekundaaristen (SC) halkeamien (ep, orvaskesi; de, dermis; bo, luukudos) varrella. (C) Pan cadherinin vasta–aine tahraa koko orvaskeden, vasta-aine proliferoituvalle solun ydinantigeenille (PCNA) osoittaa lisääntynyttä proliferaatiota (nuolet) ja terminaalinen deoksinukleotidyylitransferaasivälitteinen deoksiuridiinitrifosfaatin nick end labeling (TUNEL) – määritys osoittaa apoptoosin puuttumisen halkeamissa.

paneeli a

paneeli a näyttää krokotiilin pään nahan halkeamien kehittymistä alkion kehittyessä. Kuvassa 3D näkyy kupupainereseptorien kehittyminen alkioiden ollessa 45 päivän ikäisiä, ja kuvan 4A vasen paneeli osoittaa, että siinä vaiheessa ei ole muodostunut halkeamia. Halkeamat alkavat kehittyä, kun alkio on 50-55 päivän ikäinen.

paneeli B

paneeli B on histologinen poikkileikkaus krokotiilin alkionihassa olevaa halkeamaa pitkin. Paneeleissa näkyy vasemmalta oikealle jaksoittain ihon osia. Halkeama ulottuu orvaskeden yläosasta verinahkaan, mutta ei luukudokseen.

immunofluoresenssi

paneelissa C kirjoittajat käyttävät immunofluoresenssia ymmärtääkseen, missä tietyt proteiinit ovat lokalisoituneet. Immunofluoresenssi on menetelmä proteiinien lokalisoinnin visualisoimiseksi. Jos haluat lisätietoja immunofluoresenssista, klikkaa tästä.

tavallisen immunofluoresenssin lisäksi kirjoittajat käyttävät terminaalista deoksinukleotidyylitransferaasivälitteistä deoksiuridiinitrifosfaatin nick end labeling (TUNEL)-määritystä apoptoosin läpikäyneiden solujen tunnistamiseksi. Apoptoottiset solut ovat vahingoittaneet DNA: ta, ja tämä vaurio sisältää nirhaumia, jotka voidaan korjata entsyymillä, joka lisää deoksiuridiinitrifosfaattia (dUTP) nick-kohtaan. Kun entsyymiä ja hollantia, jotka on merkitty (tässä tapauksessa punaisella) lisätään soluihin, vain apoptoottiset solut sisältävät hollanteja ja näkyvät punaisina.

paneeli C

paneelissa C tekijät tutkivat solujen proliferaatiota alkion orvaskeden poikkileikkauksessa. Ensimmäisessä ja kolmannessa paneelissa kaikissa epidermaalisissa soluissa esiintyvä proteiini merkitään, ja siksi kaikki epidermaaliset solut näyttävät vihreiltä. Toisessa ja neljännessä paneelissa proliferoituvassa solussa oleva proteiini merkitään, ja siksi lisääntyvät solut näyttävät vihreiltä. Toinen ja neljäs paneeli osoittavat, että halkeamissa olevat solut lisääntyvät. Toinen ja neljäs paneeli osoittavat myös TUNEL-määrityksen avulla, että apoptoosi vähenee halkeamien sisällä.

tyypillisessä halkeiluprosessissa murtumat nukleoituvat yläpintaan, mutta leviävät nopeasti alaspäin ja vaikuttavat koko materiaalikerroksen paksuuteen (19). Krokotiilin pään kehittyvä iho reagoi samalla tavalla stressikenttään, kun sille kehittyy syviä lehtoja, jotka voivat ulottua jäykiin pohjaeläimiin (Kuva. 4b). Analyysimme osoittavat, että solujen proliferaatio epidermiskerroksessa lisääntyy huomattavasti ihon uurteiden syvimmällä alueella, joka vastaa halkeamia (Kuva. 4C), mikä viittaa siihen, että paranemisprosessi mahdollistaa ihon kerroksen jatkuvan peittämisen. Paikallinen biologinen prosessi (solujen proliferaatio) voi olla puhtaasti fysikaalisen parametrin (mekaaninen rasitus) ohjaama seuraavasti: Alueilla, joilla on suurin stressi, paikallinen pullistuma on nukleoitunut. Pullistumaan nähden kohtisuorassa oleva paikallinen jännityskomponentti on rento ja tiivistyy sen kärkeen, mikä selittää sekä jännitys-että proliferaatiomaksimien etenemisen (siis pullistuman vastaavan etenemisen). Tavalla täysin analoginen totta fyysinen halkeilua, pullistuma edessä levittäisi kohtisuoraan suuntaan suurin stressi komponentteja, selittää topologia tuloksena satunnainen monikulmainen verkkotunnuksia ihon. Proliferaation rooli vahvistaa yllä olevaa väitettä, että krokotiilien halkeamat saattavat kokea kypsymistä (20-22), mikä selittää havaitun hierarkkisten ja ei-hierarkkisten piirteiden sekoituksen (KS. S4A).

olemme osoittaneet, että krokotiilin kasvojen ja leukojen ihon epäsäännölliset monikulmaiset alueet syntyvät halkeilemalla, mekanismi, joka eroaa niistä, jotka tuottavat suomuja krokotiilin ruumiin postkraniaaliseen osaan sekä kaikkien muiden matelijoiden ruumiiseen ja päähän. Tämä halkeamisprosessi on ensisijaisesti fyysinen. Se ei kuitenkaan tarkoita, että geneettisesti ohjatut parametrit olisivat merkityksettömiä. Esimerkiksi kaikilla krokotiililajeilla on nähtävissä halkeamakuvio, mutta maantieteellinen jakauma vaihtelee huomattavasti, mahdollisesti lajikohtaisen kallon geometrian ja kasvun, mutta myös ihon koostumuksen ja paksuuden vuoksi. Koska nämä parametrit sekä solujen lisääntyminen ovat geneettisesti kontrolloituja, pään halkeamien vaihtelu krokotiilieläinlajien kesken johtuu todennäköisesti fysikaalisten ja geneettisesti kontrolloitujen parametrien vuorovaikutuksesta. Tutkimuksemme viittaa siihen, että RDM: n lisäksi suurempi joukko fyysisiä itseorganisoituvia prosesseja myötävaikuttaa elollisissa järjestelmissä Havaittujen kaavojen valtavan moninaisuuden tuottamiseen.

lisäaineet

www.sciencemag.org/cgi/content/full/science.1226265/DC1

materiaali ja menetelmät

täydentävä teksti

viikunat. S1-S6

taulukko S1

elokuva S1

viitteet (25-33)

viitteet ja huomautukset

  1. C. Chang ym., Reptile scale paradigma: Evo-Devo, kuvion muodostuminen ja uusiutuminen. Int. J. Dev. Biol. 53, 813 (2009).

  2. M. Turing, morfogeneesin kemiallinen perusta. Filos. Trans. R. Soc. Lontoon Ser. B 237, 37 (1952).

  3. M. R. Schneider, R. Schmidt-Ullrich, R. Paus, karvatuppi dynaamisena miniorganina. Kurr. Biol. 19, R132 (2009).

  4. D. Dhouailly, A new scenario for the evolutionary origin of hair, feather, and avian scales. J. Anat. 214, 587 (2009).

  5. K. N. Snavely, S. M. Seitz, R. Szeliski, Valokuvaturismi: Tutkia valokuvakokoelmia 3D. ACM liiketoimet grafiikka (Proc. SIGGRAPH 2006) 25, 835 (2006).

  6. Y. Furukawa, J. Ponce, tarkka kameran kalibrointi multi-view stereo ja bundle säätö. Int. J. Comput. Vis. 84, 257 (2009).

  7. M. Kazhdan, M. Bolitho, H. Hoppe, Eurographics Symposium on Geometry Processing 2006, 61 (2006).

  8. H. Li, B. Adams, L. J. Guibas, M. Pauly, ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH Asia 2009) 28, 175 (2009).

  9. D. Weaire, S. Hutzler, the Physics of Foams (Oxford Univ. Lehdistö, Oxford, 1999).

  10. D. Weaire, N. Rivier, Soap, cells and statistics: Random patterns in two dimensions. Halpamainen. Liikuntaa. 25, 59 (1984).

  11. T. Lecuit, P. F. Lenne, Cell surface mechanics and the control of cell shape, tissue patterns and morphogenesis. Nat. Pastori Mol. Cell Biol. 8, 633 (2007).

  12. M. C. Gibson, A. B. Patel, R. Nagpal, N. Perrimon, the emergence of geometric order in proliferating metazoan epithia. Nature 442, 1038 (2006).

  13. D. A. W. Thompson, on Growth and Form (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1917).

  14. R. Farhadifar, J. C. Röper, B. Aigouy, S. Eaton, F. Jülicher, the influence of cell mechanics, cell-cell interactions, and proliferation on epitel packing. Kurr. Biol. 17, 2095 (2007).

  15. H. J. Herrmann, S. P. Roux, Toim., Tilastolliset mallit häiriöttömän median murtumiselle: Random Materials and Processes (North-Holland, Elsevier, Amsterdam, 1990).

  16. T. Hayashi, R. W. Carthew, Pintamekaniikka välittää kuvion muodostumista kehittyvässä verkkokalvossa. Nature 431, 647 (2004).

  17. K. A. Shorlin, J. R. de Bruyn, M. Graham, S. W. Morris, Isotrooppisten ja suunnattujen kutistumiskuvioiden kehitys ja geometria. Liikuntaa. Pastori Heti. Liikuntaa. Plasmanesteet Liittyvät. Interdiscip. Aiheet 61, 6950 (2000).

  18. E. A. Jagla, A. G. Rojo, Sequential fragmentation: the origin of columnar quasixagonal patterns. Liikuntaa. Pastori Heti. Nonlin. Pehmeän Aineen Fysiikkaa. 65, 026203 (2002).

  19. S. Bohn, J. Platkiewicz, B. Andreotti, M. Adda-Bedia, Y. Couder, peräkkäisten domain-jakojen muodostama hierarkkinen halkeamakuvio. II. Epäjärjestyksestä deterministiseen käyttäytymiseen. Liikuntaa. Pastori Heti. Nonlin. Pehmeän Aineen Fysiikkaa. 71, 046215 (2005).

  20. L. Goehring, L. Mahadevan, S. W. Morris, Nonequilibrium asteikko valintamekanismi columnar liitos. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 387 (2009).

  21. L. Goehring, S. W. Morris, järjestys ja häiriö pylväsnivelissä. Europhyt. Lett. 69, 739 (2005).

  22. L. Goehring, R. Conroy, A. Akhter, W. J. Clegg, A. F. Routh, Evolution of mud-crack patterns during reposed drying cycles. Soft Matter 6, 3562 (2010).

  23. D. Soares, Neurology: an an ancient sensory organ in crocodilians. Nature 417, 241 (2002).

  24. L. Alibardi, L. W. Knapp, R. H. Sawyer, Beta-keratiini lokalisointi kehittää alligaattorin asteikot ja höyhenet suhteessa kehitykseen ja evoluutioon höyheniä. J. Submicrosc. Cytol. Pathol. 38, 175 (2006).

  25. K. N. Snavely, kohtaus rekonstruktio ja visualisointi Internetin kuvakokoelmista. Väitöskirja, Washingtonin yliopisto (2008).

  26. Y. Furukawa, B. Curless, S. M. Seitz, R. Szeliski, kohti Internet-mittakaavan stereoita. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition 2010, 1434 (2010).

  27. V. C. L. I., CNR, MeshLab v1.3. 0 a; http://meshlab.sourceforge.net (2011).

  28. H. Li, BeNTO3D, pre-release developmental version; www.bento3d.com (2012).

  29. J. F. Sadoc, R. Mosseri, Frustration Géométrique. A. Saclay, Toim. (Eyrolles, Pariisi, 1997).

  30. N. Di-Poïet al., HOX-geenien rakenteen ja toiminnan muutokset squamate – kehosuunnitelman evoluution aikana. Luonto 464, 99 (2010).

  31. S. Bohn, L. Pauchard, Y. Couder, peräkkäisten domain-jakojen muodostama hierarkkinen halkeamakuvio. I. temporaalinen ja geometrinen hierarkia. Liikuntaa. Pastori Heti. Nonlin. Pehmeän Aineen Fysiikkaa. 71, 046214 (2005).

  32. E. A. Jagla, crack-kuosien kypsyminen. Liikuntaa. Pastori Heti. Nonlin. Pehmeän Aineen Fysiikkaa. 69, 056212 (2004).

  33. K. J. Stine, S. A. Rauseo, B. G. Moore, J. A. Wise, C. M. Knobler, Evolution of foam structures in Langmuir monolayers of pentadecanoic acid. Liikuntaa. Rev. A 41, 6884 (1990).

kiitokset: Työtä tukivat Geneven yliopisto, Sveitsin kansallinen tiedesäätiö ja Schmidheinyn säätiö. A. Tzika auttoi paikan päällä. H. Li avusti nonrigid-rekisteröinnissä. Kiitämme R. Pelletiä avusta mekaniikan suunnittelussa ja A. Rouxia, M. Gonzalez-Gaitania, B. Chopardia, U. Schibleriä ja nimettömiä arvostelijoita hyödyllisistä kommenteista ja ehdotuksista.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.