동물 조직 형성의 새로운 메커니즘

생물학과 생물물리학에 남아 있는 주요 질문은 동물 발달 과정에서 3차원 조직 형태가 어떻게 나타나는가입니다. 독일 드레스덴에 있는 막스 플랑크 분자 세포 생물학 및 유전학 연구소(MPI-CBG), 드레스덴 공과 대학 생명 물리학 센터(PoL), 드레스덴 시스템 생물학 센터의 연구팀( CSBD)는 조직을 평평한 상태에서 3차원 형태로 ‘프로그래밍’하는 메커니즘을 고안했습니다. 이를 위해 연구자들은 초파리(Drosophila)의 발달과 얕은 돔 모양에서 구부러진 접힌 모양으로 전환되고 나중에 성체 파리의 날개가 되는 날개 디스크 주머니를 살펴보았습니다. 연구진은 이 과정에서 3차원 형태의 변화를 측정하고 세포의 행동을 분석하는 방법을 개발했다. 형상 프로그래밍을 기반으로 한 물리적 모델을 사용하여 그들은 세포 이동과 재배열이 조직 형성에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. Science Advances 저널에 발표된 이 연구는 모양 프로그래밍 방법이 동물의 조직이 어떻게 형성되는지 보여주는 인기 있는 방법일 수 있음을 보여줍니다.

상피 조직은 많은 기관의 기본 구조를 형성하는 밀접하게 상호 연결된 세포 층입니다. 기능적인 기관을 만들기 위해 조직은 3차원적으로 모양을 바꿉니다. 3D 모양에 대한 일부 메커니즘이 탐색되었지만 동물 조직 모양의 다양성을 설명하기에는 충분하지 않습니다. 예를 들어, 날개 디스크 반전이라고 불리는 초파리 발달 과정에서 날개는 단일 세포층에서 이중층으로 전환됩니다. 날개 원판 주머니가 방사형 대칭 돔에서 곡선형 접힌 모양으로 어떻게 이러한 모양 변화를 겪는지는 알려져 있지 않습니다.

MPI-CBG 및 CSBD의 그룹 리더인 Karl Moody와 PoL의 그룹 리더이자 이전에 MPI-CBG에 소속된 Natalie Day를 포함한 연구 그룹은 이러한 형태 변화가 어떻게 발생했는지 알고 싶었습니다. “이 과정을 설명하기 위해 우리는 자극을 받으면 내부 압력을 통해 3D 모양으로 변형될 수 있는 얇은 하이드로겔과 같은 ‘형상 프로그래밍이 가능한’ 무생물 시트에서 영감을 얻었습니다.”라고 Natalie Day는 설명합니다. 이미 식물이 어떻게 자라는지 이해하는 데 도움이 되었습니다. 그러나 동물 조직은 모양, 크기 및 위치가 변하는 세포로 인해 더욱 역동적입니다.”

모양 프로그래밍이 동물 성장을 이해하는 메커니즘이 될 수 있는지 확인하기 위해 연구자들은 돔 모양이 구부러진 접힌 모양으로 변하는 초파리 날개 디스크 반전 중에 조직 모양 변화와 세포 행동을 측정했습니다. Natalie Day 연구 그룹의 박사후 연구원인 Jana Foreman은 “물리적 모델을 사용하여 프로그램된 집단 세포 행동이 날개 디스크 낭종에서 볼 수 있는 모양 변화를 생성하기에 충분하다는 것을 보여주었습니다.”라고 말합니다. 주변 조직은 필요하지 않으며 이러한 재배열은 “세포가 낭종 모양을 변화시키는 주요 동인입니다.” 연구진은 재배열된 세포가 낭종 뒤집힘의 주요 원인임을 확인하기 위해 세포 이동을 줄여 실험했는데, 이는 결국 조직 형성 과정에 문제를 일으켰다.

연구 당시 Karl Mods 그룹의 박사 과정 학생인 Abhijit Krishna는 “우리가 개발한 새로운 형태 프로그래밍 모델은 다양한 유형의 세포 행동과 관련되어 있습니다.”라고 설명합니다. “이러한 모델에는 규칙적인 모델과 방향 의존적인 모델이 모두 포함됩니다. 효과의 이전 모델이 있었지만 “그러나 그들은 한 번에 한 가지 유형의 효과만 보았습니다. 우리 모델은 두 가지 유형의 효과를 결합하여 이를 셀 동작에 직접 연결합니다.”

Natalie Day와 Carl Moody는 “우리는 활성 세포 행동으로 인한 내부 응력이 역전 중에 초파리 날개 디스크 낭종을 형성한다는 것을 발견했습니다.”라고 결론지었습니다. “우리는 프로그래밍 가능한 재료에서 파생된 이론적 틀과 새로운 방법을 사용하여 세포를 측정할 수 있었습니다. 이러한 도구는 동물 조직이 어떻게 모양과 크기를 3차원으로 변환하는지 이해하는 데 도움이 됩니다. 전반적으로, 우리 연구는 초기 기계적 신호가 세포 행동을 조절하는 데 도움이 되고, 이것이 나중에 조직 모양의 변화로 이어진다는 것을 보여줍니다. 다른 조직 형성 과정을 이해하기 위해 더 광범위하게 사용될 수 있는 원리가 더 좋습니다.”