Informație

20.3D: Modele web, rețea și inel de viață - Biologie


Pentru a descrie mai exact relațiile filogenetice ale vieții, modelele de tip web și inel au fost propuse ca actualizări ale modelelor de copaci.

obiective de invatare

  • Descrieți rețeaua, rețeaua și inelul modelelor de viață ale copacilor filogenetici

Puncte cheie

  • A fost propus un model filogenetic care seamănă cu o rețea sau cu o rețea, deoarece eucariotele au evoluat nu dintr-un singur strămoș procariot, ci dintr-un fond de multe specii care împărtășeau genele prin mecanismele HGT.
  • A fost propus un model filogenetic care seamănă cu un inel în care speciile din toate cele trei domenii, Archaea, Bacteria și Eukarya, au evoluat dintr-un singur bazin de procariote care schimbă genele.
  • Modelele filogenetice vor continua să evolueze pe măsură ce filogeneticienii rămân foarte sceptici față de modelele actuale de copaci, rețele și inele.

Termeni cheie

  • rețeaua vieții: un model filogenetic care seamănă mai mult cu un web sau cu o rețea decât cu un copac
  • inel al vieții: un model filogenetic în care toate cele trei domenii ale vieții (Archaea, Bacteria și Eukarya) au evoluat dintr-un bazin de procariote primitive

Recunoașterea importanței transferului orizontal de gene (HGT), în special în evoluția procariotelor, a determinat unii să propună abandonarea modelului clasic „arborele vieții”. În 1999, a fost propus un model filogenetic care seamănă mai mult cu o rețea sau cu o rețea decât cu un copac. Ipoteza este că eucariotele au evoluat nu dintr-un singur strămoș procariot, ci dintr-un bazin de multe specii care împărtășeau genele prin mecanismele HGT. Unele procariote individuale au fost responsabile pentru transferul bacteriilor care au cauzat dezvoltarea mitocondrială în noile eucariote, în timp ce alte specii au transferat bacteriile care au dat naștere cloroplastelor. Acest model este adesea numit „rețeaua vieții”. Într-un efort de a salva analogia arborelui, unii au propus utilizarea arborelui Ficus cu mai multe trunchiuri ca arbore filogenetic pentru a reprezenta rolul evolutiv al HGT.

Alții au propus abandonarea oricărui model de filogenie asemănător copacilor în favoarea unei structuri inelare. „Inelul vieții” este un model filogenetic în care toate cele trei domenii ale vieții au evoluat dintr-un bazin de procariote primitive. Folosind algoritmul de reconstrucție condiționat, propune un model asemănător inelului în care speciile din toate cele trei domenii (Archaea, Bacteria și Eukarya) au evoluat dintr-un singur bazin de procariote care schimbă genele. Această structură este propusă ca fiind cea mai potrivită pentru datele din analize extinse ale ADN-ului; modelul inelar este singurul care ia în considerare în mod adecvat HGT și fuziunea genomică. Cu toate acestea, filogeneticienii rămân extrem de sceptici cu privire la acest model.

Pe scurt, modelul „arborelui vieții” propus de Darwin trebuie modificat pentru a include HGT. Acest lucru nu înseamnă că un copac, o rețea sau un inel se vor corela complet cu o descriere exactă a relațiilor filogenetice ale vieții. O consecință a noii gândiri despre modelele filogenetice este ideea că concepția originală a lui Darwin despre arborele filogenetic este prea simplă, dar avea sens pe baza a ceea ce se știa la acea vreme.


În Fruit Fly Brain, Un inel pentru navigație

Neuronii care urmăresc poziția unei muște respectă regulile unei rețele de atragere a inelului, arată o nouă cercetare.

Dacă vă întoarceți încet cu ochii închiși, este posibil să fiți capabil să urmăriți în ce direcție vă confruntați. Neuronii cunoscuți sub numele de celule de direcție a capului folosesc o combinație de cunoștințe senzoriale din trecut și propria mișcare pentru a calcula unde vă aflați, chiar și în absența informațiilor vizuale.

Dar cum creează creierul aceste reprezentări interne persistente? Noi cercetări de la Vivek Jayaraman, Shaul Druckmann și colaboratorii de la Janelia Research Campus din Ashburn, Virginia, subliniază un potențial mecanism. Descoperirile arată că la muștele fructelor, un sentiment intern de direcție este menținut de ceea ce este cunoscut sub numele de rețea de atragere a inelului.

În rețelele de atragere a inelului, nodurile sunt reprezentate ca fiind aranjate într-un inel. Nodurile vecine se excită de obicei, în timp ce nodurile îndepărtate se inhibă reciproc, fie direct, fie indirect. Acest aranjament al conexiunilor excitatorii și inhibitorii constrânge dinamica rețelei - o singură „lovitură” de activitate se mișcă continuu în ambele direcții în jurul inelului.

Neurologii au teoretizat de mult că atrăgătorii inelului ar putea sta la baza sentimentului de orientare spațială - Bruce McNaughton și colaboratorii au sugerat în anii 1990 că celulele direcției capului la mamifere funcționează ca atrăgătorii inelului. Dar noile descoperiri, publicate în două lucrări în mai, oferă cele mai directe dovezi până în prezent. „Puteți vedea cu adevărat modul în care circuitul face calculul”, spune Larry Abbott, neurolog științific la Universitatea Columbia, care nu a fost implicat în studii.

O rețea care servește ca busolă mentală necesită un anumit set de funcții. Trebuie să mențină o reprezentare unică - cu excepția cazului în care sunteți pierdut, în general aveți o idee despre locul în care vă aflați. De asemenea, trebuie să reprezinte direcția continuu. Dacă mergeți spre nord și decideți să inversați direcția, nu vă puteți îndrepta instantaneu spre sud. Trebuie să vă întoarceți, trecând prin nord-vest, vest și sud-vest. Și rețeaua trebuie să-și amintească orientarea dvs., chiar și în absența intrării vizuale. Pe scurt, un sistem de direcție necesită o rețea care poate produce o activitate puternică și consecventă care se mișcă ușor în ambele direcții, în absența unor indicii vizuale. Rețelele de atragere a inelelor îndeplinesc toate aceste cerințe.

În 2015, Jayaraman și colaboratorul Johannes Seelig au identificat o rețea de busolă în muștele fructelor - o structură în formă de inel din creierul mustei cunoscută sub numele de corpul elipsoid. Au arătat că orientarea unghiulară a animalului este reprezentată de o umflătură de activitate neuronală în interiorul inelului. Pe măsură ce animalul își schimbă orientarea, umflătura de activitate se mișcă în jurul inelului. „Activitatea este localizată într-o parte a gogoșei și se deplasează de la felie la felie pe măsură ce animalul se întoarce”, spune Jayaraman. „Acesta a fost primul semnal clar că există un dispozitiv de atragere a inelului la lucru”.

Dând clic pentru a viziona acest videoclip, sunteți de acord cu politica noastră de confidențialitate.

Simpla eleganță a structurii i-a uimit pe neurologi. „Anatomia este spectaculoasă”, spune Abbott. „Când studiezi biologie, din când în când întâlnești ceva atât de frumos”.

Descoperirea a fost, de asemenea, izbitoare pentru cât de bine s-a potrivit cu teoriile dezvoltate prin studii de rozătoare. „Sistemul arată exact ca niște modele de desene animate pe care trebuie să le explicăm atrăgătorii inelului”, spune James Knierim, neurolog al Universității Johns Hopkins din Baltimore care nu a fost implicat în studiu. „A fost surprinzător și emoționant faptul că a fost așezat în acest fel.” Knierim și alții au găsit dovezi indirecte pentru atragătorii inelului la rozătoare, dar nu au încă dovezi directe. De exemplu, oamenii de știință nu au dovezi definitive despre locul în care locuiesc celulele potențiale ale inelului în creierul șobolanului.

Într - un nou studiu publicat în Ştiinţă, Jayaraman și colaboratorii au aprofundat modul în care funcționează structura. Sung Soo Kim, cercetător în laboratorul lui Jayaraman, a arătat că inelul nu poate reprezenta în același timp nordul și sud-vestul - structura amortizează exploziile secundare de activitate. Muștele au început experimentul cu o singură bucată de activitate în inelul busolei reprezentând direcția lor. O a doua umflătură artificială declanșată cu optogenetică a atenuat activitatea umflăturii originale. „Am arătat direct pentru prima dată cum proprietățile specifice ale rețelei susțin unicitatea reprezentării capului”, spune Jayaraman. „Cred că este cel mai clar și mai curat exemplu pe care îl avem despre un atractiv inelar neural”.

Cercetătorii au lucrat cu teoreticienii Hervé Rouault și Druckmann pentru a înțelege mai bine parametrii rețelei. Rețelele de atragere a inelului utilizează atât conexiuni excitatorii, cât și conexiuni inhibitoare. Conexiunile excitative întăresc activitatea nodurilor cu reglare similară - nodurile reglate la nord ar excita cel mai puternic nodurile nord-vest și nord-est. Nodurile individuale inhibă, de asemenea, alte noduri - un nod spre nord ar putea inhiba cel spre sud, de exemplu. Această inhibiție poate lua diferite forme. Cu o inhibiție uniformă largă, activitatea la un nod individual inhibă în mod egal toate celelalte noduri. Alternativ, dacă puterea conexiunilor urmează o regulă a cosinusului, un nod individual inhibă cel mai puternic nodul la 180 de grade distanță, cu inhibare progresiv mai slabă la nodurile mai apropiate și apoi excitație la cele mai apropiate. Ambele opțiuni creează o rețea în care o bucată de activitate se mișcă pe un cerc, ca un ac de busolă, spune Jayaraman.

Pentru a face distincția între aceste două posibilități, Kim a testat de câtă putere laser avea nevoie pentru a diminua o grămadă de activitate existentă. Dacă rețeaua ar avea reglarea cosinusului, unde unitățile individuale îi inhibă cel mai puternic pe cei direct opuși, ar fi nevoie de mai multă putere pentru a declanșa o denivelare nordică care să o înlocuiască pe una existentă în sud. Dar asta nu s-a întâmplat. O explozie echivalentă de putere laser ar putea înlocui o lovitură cu alta, indiferent dacă cele două umflături erau la 90 de grade distanță sau 180. „Inhibarea rețelei părea uniformă”, spune Jayaraman. „Este oarecum o structură ușoară pentru care biologia să poată veni cu tot ceea ce este inhibat de orice altceva”.

Dând clic pentru a viziona acest videoclip, sunteți de acord cu politica noastră de confidențialitate.

Într - o a doua lucrare, publicată în eLife, cercetătorii au descifrat modul în care umflătura de activitate se mișcă în jurul inelului. (Un studiu similar similar a fost publicat în Natură în același timp.) Dan Turner-Evans și Stephanie Wegener din laboratorul lui Jayaraman au folosit imagistica cu calciu și electrofiziologia pentru a cartografia activitatea neuronală la muștele ale căror capete erau fixate în loc, dar puteau totuși să se întoarcă în direcții diferite. Cercetătorii s-au concentrat pe două structuri, corpul elipsoid și o a doua structură numită punte protocoerebrală, care seamănă cu ghidonul de pe o bicicletă.

Neuronii busolă obțin informații de la corpul elipsoid și le transferă pe puntea protocoerebrală. Echipa lui Jayaraman a identificat un grup corespunzător de neuroni - să le numim neuroni care se întorc - care obține informații de pe pod și le trimite corpului elipsoid. Neuronii care se răsucesc își trimit informațiile către un segment al inelului elipsoid chiar la stânga sau la dreapta feliei care le-a trimis informații. Neuronii busolei spre nord, de exemplu, ar trimite informații către două seturi de neuroni rotitori, unul pe fiecare parte a podului, care la rândul lor ar transmite neuronilor busolei nord-vest sau nord-est.

Pe măsură ce musca se întoarce spre dreapta, activează neuronii care se întorc la dreapta (albastru) și inhibă neuronii care se întorc la stânga (roșu) în puntea protocoerebrală (jos). Inversul se întâmplă pe măsură ce musca se întoarce la dreapta.
Credit: Stephanie Wegener Când musca se îndreaptă într-o anumită direcție, să spunem spre nord, neuronii busolei corespunzători trag, generând o umflătură de activitate în rețeaua inelară. Acest lucru activează ușor neuronii care se învârt pe ambele părți ale podului protocerebral. Când animalul se întoarce spre nord-vest, mișcarea de rotire amplifică selectiv activitatea doar pe partea stângă a podului. Neuronii care se întorc acolo se sinapsează pe un set de neuroni ai busolei din nord-est. Activarea acestora schimbă vârful de activitate de-a lungul inelului spre nord-est, actualizând reprezentarea internă a animalului a direcției în care se îndreaptă pe măsură ce animalul se întoarce, la fel ca un ac de busolă.

Descoperirile oferă un caz rar al naturii care se potrivește îndeaproape cu modelul pe care oamenii de știință l-au dezvoltat pentru a explica fenomenul. „Această structură de rețea specială, această topologie, este aproape exact ceea ce a propus grupul lui Bruce McNaughton pentru a explica celulele direcției capului la mamifere în 1995”, spune Jayaraman. „Aceste modele cu aspect perfect sunt ca visul unui teoretician.” Abbott este de acord. „Teoreticienii construiesc deseori modele mai elegante decât natura, ceea ce este adesea cam dezordonat”, spune el. „Dar acesta este un caz în care natura este îngrijită”.

Cercetătorii urmăresc acum cablarea acestor structuri folosind microscopia electronică pentru a determina dacă anatomia reală se potrivește cu conectivitatea extrasă din cartografierea activității. De asemenea, vor examina modul în care animalele folosesc informațiile din busolă. „O putem lega de o acțiune pe care o face animalul? Ce se întâmplă când deranjăm busola? Putem înțelege modul în care o reprezentare internă are impact asupra comportamentelor? ” Spune Jayaraman. El speculează că muștele folosesc acest sistem atunci când sunt atrași de ceva printr-un impuls puternic, cum ar fi mirosul alimentelor. „Atunci credem că musca va folosi sistemul pentru a se orienta”, spune el. „Vom da musca un scop și vom întreba cum funcționează busola în acest caz.”

În inele, topologia contează

Deși rețelele de atragere a inelelor sunt adesea vizualizate ca un cerc, rețeaua nu trebuie să fie aranjată fizic în acest fel. „Nu este topografia rețelei, ci topologia”, spune Jayaraman. Cu alte cuvinte, conexiunile contează mai degrabă decât locația fizică a celulelor. „Se întâmplă ca, în zbor, topografia și topologia să se potrivească, unitățile sunt literalmente aranjate una lângă alta”, spune el. El speculează că optimitatea cablării - acțiunea creierului pentru a fi cât mai eficientă atunci când stabiliți cablarea neuronală - ar putea genera acest tip de structură de rețea.

Descoperirile ar trebui să ofere o perspectivă asupra sistemelor de busolă de la mamifere. Oamenii de știință știau deja că celulele direcției capului la rozătoare par să folosească o rețea de atragere a inelului, deși versiunile de mamifere probabil nu au aceeași formă simplă de gogoși pe care o au la muște. (A se vedea bara laterală: In Rings, Topology Matters.) Sistemul simplu de zbor va ajuta cercetătorii să disecă sistemele mai complexe ale mamiferelor. „Cred că vor reuși să descopere circuitul atrăgătorului inelar în moduri care ne vor oferi indicii despre cum să testăm lucrurile din creierul șobolanului pe care nu le putem testa altfel”, spune Knierim. „Este un exemplu excelent în ceea ce privește modul în care cercetarea asupra diferitelor sisteme de modele poate oferi o perspectivă excelentă asupra creierului mamiferelor”.

Descoperirile ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă modul în care creierul integrează informațiile, un calcul omniprezent și esențial în sistemele neuronale. „Acesta este un circuit în care putem ajunge la șuruburile de integrare”, spune Abbott. În timp ce specificul sistemului de navigație de zbor nu va fi exact același cu cel al altor sisteme de integrare, va dezvălui principiile care stau la baza acestuia, spune el.


1. Introducere

În 1944, Erwin Schrödinger a publicat o serie de prelegeri în Ce este viața?[1]. Această mică carte a fost o inspirație majoră pentru o generație de fizicieni pentru a intra în microbiologie și biochimie, cu scopul de a încerca să definească viața prin intermediul fizicii și chimiei. Deși s-a făcut o cantitate enormă de muncă, înțelegerea noastră despre „Viața însăși” [2] este încă incompletă. De exemplu, modul standard în care manualele de biologie enumeră caracteristicile necesare vieții - pentru a o delimita de materia non-vie - include metabolismul, auto-întreținerea, duplicarea materialului genetic și evoluția prin selecție naturală. Această abordare în mare parte descriptivă nu abordează complexitatea reală a organismelor, caracterul dinamic al sistemelor ecologice sau întrebarea cum apare fenotipul din genotip (de exemplu, pentru procesele de boală [3]).

Universul poate fi privit ca un mare rezonator riemannian în care evoluția are loc prin procese de dispersie a energiei și prin reducerea entropiei. Viața poate fi gândită ca unii dintre utilaje universul folosește pentru a diminua gradienții de energie [4]. Această evoluție constă într-un proces de rupere pas cu pas a simetriei, în care diferența de densitate a energiei în raport cu mediul înconjurător este diminuată. Când universul s-a format prin Big Bang în urmă cu 13,7 miliarde de ani, au avut loc o serie de evenimente spontane de rupere a simetriei, care au evoluat vidul cuantic uniform în structura heterogenă pe care o observăm astăzi. De fapt, fluctuațiile cuantice ale universului timpuriu au ajuns la scară cosmologică, printr-un proces cunoscut sub numele de inflație cosmică, iar rămășițele acestor fluctuații cuantice pot fi observate direct în variația radiației cosmice de fond cu microunde în direcții diferite. În fiecare etapă de-a lungul evoluției universului - de la gravitația cuantică, la particule fundamentale, atomi, primele stele, galaxii, planete - a existat o nouă rupere a simetriei. Aceste abstracții ale particulelor cosmologice, stelare și atomice pot fi puternic exprimate în termenii teoriei grupurilor [5].

De asemenea, se dovedește că însăși fundamentul întregii fizici moderne se bazează pe teoria grupurilor. Există patru interacțiuni fundamentale (sau forțe) în natură: puternică (responsabilă de stabilitatea nucleelor ​​în ciuda repulsiei protonilor încărcați pozitiv), slabă (manifestată în beta-dezintegrare), electromagnetică și gravitațională. Primele trei sunt descrise de teorii cuantice: un grup de calibrare SU (3) pentru quark și o teorie SU (2) × U (1) pentru interacțiunile electro-slabe unificate [6-8]. Din aceste teorii se poate trage, de exemplu, teoria electromagnetismului lui Maxwell, care stă la baza ingineriei electrice și a fotonicii contemporane, inclusiv a acțiunii laserului. Teoria grupurilor oferă un cadru pentru construirea analogiilor sau modelelor din abstracții și pentru manipularea abstracțiilor respective pentru a proiecta noi sisteme, a face noi predicții și a propune noi ipoteze.

Motivația acestei lucrări este de a examina un set alternativ de abstracții matematice aplicate biologiei și, în special, biologiei sistemelor. Simetria și ruperea simetriei joacă un rol proeminent în biologia dezvoltării, de la bilaterieni la organisme simetrice radial. Brooks [9], Woese [10] și Cohen [11] au solicitat cu toții analize mai profunde ale vieții prin aplicarea de noi abstracții matematice la biologie. Scopul acestei lucrări nu este atât să abordeze întrebarea dificilă ridicată de Schrödinger, cât mai degrabă să extindă setul de tehnici matematice potențial aplicabile integrării cantităților masive de date disponibile în era post-genomică și să contribuie indirect la abordarea întrebare grea. Aici ne vom concentra asupra întrebărilor legate de biologia sistemelor moleculare utilizând tehnici matematice în domeniul algebrei abstracte, care până acum au fost în mare măsură trecute cu vederea de către cercetători. Lucrarea va cuprinde o recenzie a literaturii și va oferi, de asemenea, câteva lucrări noi. Începem cu o introducere în teoria grupurilor, apoi revizuim aplicațiile la codul genetic și la ciclul celular. Ultima secțiune explorează ideile care extind teoria grupului în biologia sistemelor moleculare contemporane.


Dezvoltare

Stadializarea detaliată și mecanismele dezvoltării pulmonare umane și murine au fost bine analizate de alții 9,10,11,12. Pentru a rezuma pe scurt dezvoltarea pulmonară murină, în timpul etapei embrionare, endodermul anterior anterior ventral (AFE) exprimă factorul de transcripție Nkx2.1 în ziua embrionară a șoarecelui (E) 9.0 ca semn al specificației pentru a promova înmugurirea pulmonară inițială. Din E9.5 – E12.5, doi muguri pulmonari cu expresie mare de Nkx2.1 și o porțiune proximală cu Nkx2.1 scăzut care formează ulterior traheea apar concomitent cu septarea traheo-esofagiană. De la E12,5 la E16,5 în timpul stadiului pseudoglandular, mugurii pulmonari suferă o perioadă de morfogeneză ramificată pentru a forma arborele pulmonar și bronhiolele terminale. La finalizarea etapelor de dezvoltare canaliculară și saculară (E16.5-Postnatal (P) ziua 4), bronhiolele terminale se îngustează și încep să formeze saci epiteliali. Aceste structuri formează ulterior structuri alveolare complet mature pentru schimbul de gaze de către P21 în timpul fazei de alveolarizare 9. În contrast, alveolarizarea începe pre-partum în timpul dezvoltării pulmonare umane și continuă postnatal până în copilărie 13.

Dezvoltarea coordonată a căilor respiratorii conductoare și distale este un proces vital în timpul căruia atât compartimentele epiteliale cât și cele mezenchimale joacă roluri integrale. Mugurii endodermici pulmonari în curs de dezvoltare pătrund în mezodermul splanchnic și mezoteliu în jurul E9.5. Plămânul distal în curs de dezvoltare dobândește apoi patru straturi distincte, fiecare cu propriile sale profiluri anatomice, celulare, morfologice și moleculare unice: endoderm (epiteliu), mezoderm subepitelial (mezenchim), mezoderm submesotelial (mezenchim) și mezoteliu. Celulele submesoteliale amplificatoare tranzitorii dau naștere la o populație de progenitori cu celule musculare netede parabronșice (PSMC). Această populație de celule migrează apoi mai proximal în jurul bronhiilor și se diferențiază în celule musculare netede (SMC) 14,15. Studiile care evaluează nivelurile de expresie ale diferiților membri de semnalizare Wnt / β-catenină și reporteri de activitate din aceste compartimente menționate anterior în timpul dezvoltării pulmonare au identificat constatări contrastante 16,17. Cu toate acestea, o multitudine de studii demonstrează colectiv că mezenchima pulmonară în curs de dezvoltare prezintă mai multe interacțiuni foarte reglementate cu endodermul pulmonar atât la șoarece, cât și la om, care împreună coordonează organogeneza pulmonară normală 9, dintre care multe sunt mediate de Wnt.

Stadiul embrionar (E9.5 – E12.5)

Semnalizarea Wnt joacă un rol în unele dintre primele etape ale specificațiilor cardiopulmonare. Celulele Wnt2 + Gli1 + Isl1 + cuprind progenitori multipotenți ai mezodermului cardiopulmonar (CPP) care orchestrează dezvoltarea inimii și a plămânilor. Trasarea liniei de CPP Wnt2 + la E8.5 demonstrează capacitatea lor de a genera tractul de intrare cardiacă și linia de celule mezodermice pulmonare de către E17,5 18. Aceste celule sunt importante pentru interacțiunile vitale epiteliale-mezenchimale care apar în timpul dezvoltării pulmonare.

Crosstalk de la dezvoltarea mezenchimului la endoderm

Diafragma mezenchimală-endodermică condusă de Wnt este importantă din primele etape ale dezvoltării pulmonare. De la E9.5-12.5, există semnalizare activă Wnt / β-catenină atât în ​​epiteliu, cât și în mezenchim, adiacente viitoarei căi respiratorii proximale, măsurată de reporterii de activitate TOPGAL și AXIN2-LacZ Wnt 19,20. Liganzii canoniști Wnt2 / 2b sunt regulați spațial temporar de genele Hox5 în această etapă, cu o expresie mezodermică notabilă în apropierea aspectului ventral al foregutului anterior între E9.0 și E10.5 21 (Fig. 2a). Împreună, Wnt2 / 2b cooperează pentru a promova specificația endodermică pulmonară Nkx2.1 + (Fig. 2a), deoarece șoarecii fără ei prezintă agenezie pulmonară 22,23,24. Wnt2 / 2b converge la semnalizarea canonică în endodermul în curs de dezvoltare, întrucât ștergerea β-cateninei în foregut anterior prezintă, de asemenea, agenezie pulmonară, rezultând reglarea ascendentă a unei identități progenitoare digestive Sox2 + 19,22. În schimb, activarea constitutivă a β-cateninei previne septarea traheo-esofagiană și, în schimb, determină expansiunea Nkx2.1 + endodermică a progenitorului pulmonar 19,22.

A În timpul etapei embrionare (E9.0–12.5) de dezvoltare, mugurele pulmonar apare din septarea traheală-esofagiană 9. Mesenchimatul (maro) HOX5 reglează spațial temporar Wnt2 / 2b endodermic (roz) pentru a stabili progenitorul pulmonar NKX2.1 prin semnalizarea în aval a β-cateninei 21,22,23,24. Liganzii Wnt endodermici promovează, de asemenea, FGF10 mezenchimal și β-catenină, care permit apoi diferențierea SMC și dezvoltarea cartilajului și a celulelor bazale 27. b În stadiul pseudoglandular (E12.5 – E16.5), mugurii pulmonari suferă o morfogeneză ramificată pentru a dezvolta bronșiole terminale 9. Wench5 mezenchimal promovează formarea traheală și a cartilajului prin mecanisme dependente de ROR2 33. Notum reglementat de Wntless (Wls) suprimă Wnt mezenchimal și este necesar pentru dezvoltarea traheală și morfogeneza ramificării 39,40. O axă de semnalizare Wnt7b-BMP4 promovează, de asemenea, proliferarea epitelială și diferențierea SMC vascular mezenchimal (VSMC) și proliferarea SMC 35,36,37,38. Mai mult, expresia epitelială Wnt5a este cea mai mare în vârfurile distale 31,33 și acționează pentru a promova morfogeneza ramificării prin suprimarea și activarea semnalizării SHH și respectiv Fgf10, 34. O examinare mai atentă a mezenchimului relevă semnalizarea FGF9 atât din epiteliu cât și din mezoteliu converg pentru a promova Wnt2a submesotelială și a facilita proliferarea celulelor mezenchimale 14. c În timpul etapelor de dezvoltare canaliculară / saculară (E16.5-P4), bronhiolele terminale devin mai definite și formează saci epiteliali 9. Reglarea negativă a Wnt de către DKK1 are ca rezultat proximalizarea epiteliului pulmonar. Nivelurile ridicate de semnalizare Wnt determină un fenotip distal al căilor respiratorii, mediat parțial de semnalizarea N-MYC-BMP4-FGF 44. d Etapa de alveolarizare (P4-21) se încheie cu maturarea structurilor alveolare 13. Celulele ATII care răspund la Wnt (AXIN2 +) reglează alveologeneza pulmonară prin înclinarea către o descendență ATII matură și în locul unei descendențe ATI 47.

Plămânul embrionar în curs de dezvoltare are, de asemenea, măsuri pentru a reduce semnalizarea Wnt canonică. În timp ce proteina homeobox 1 (Barx1) este exprimată în mod proeminent în mezenchimul stomacului în curs de dezvoltare, unde orchestrează diferențierea endodermică, s-a demonstrat că expresia sa în mezenchimul dorsal al foregutului și al bronhiilor trunchiului principal inhibă semnalizarea Wnt endodermică pentru a promova specificația foregutului toracic 25. Similar activării β-cateninei constitutive, ștergerea Barx1 are ca rezultat pierderea septației traheo-esofagiene, după cum se dovedește prin stratul luminal unic contiguu de Nkx2.1 + traheal și Sox2 + epiteliul esofagian cu E10,5 19,22,25.

Crosstalk de la dezvoltarea endodermului la mezenchim

Încă din E11.5, semnalizarea canandică a ligandului Wnt2 promovează factorul de creștere a fibroblastelor 10 (Fgf10) semnalizare care, la rândul său, facilitează diferențierea receptorilor factorului de creștere derivat din trombocite imature (Pdgfr) α / β + celule musculare netede prin reglarea expresiei miocardina și Mrtf-B, factori critici de transcripție în miogeneza 26 (Fig. 2a). Wench2 mezenchimal promovează, de asemenea, expresia endodermică Wnt7b, care ulterior semnalează înapoi la mezenchima subepitelială pentru a conduce în continuare diferențierea SMC 26. Mai recent, s-a arătat că liganzii epiteliali Wnt activează β-catenina mezenchimală, care alături de Fgf10 / Fgfr2, reglează atât progenitorii cartilajului, cât și dezvoltarea celulelor bazale 27 (Fig. 2a).

Stadiul pseudoglandular (E12.5 – E16.5)

Activarea constitutivă a β-cateninei în celulele surfactante proteinei C (Sftpc) + determină dilatarea distală a căilor respiratorii conducătoare concomitent, fără nicio diferențiere la soarta celulelor secretoare sau ciliate 28. În concordanță cu aceasta, R-spondina 2 (Rspo2) facilitează creșterea pulmonară embrionară normală și începutul morfogenezei ramificate prin potențarea semnalizării Wnt / β-catenină 29. Un studiu recent a identificat, totuși, că Rspo2 antagonizează RNF43 și zinc și degetul inelar (ZNRF) 3 pentru a regla formarea membrelor și a plămânilor în xenopus 4. Aceste eforturi au dus la o schimbare de paradigmă, demonstrând că Rspo2 poate potența semnalizarea Wnt în absența LGR 4,30. Interesant, în timp ce Rspo2 conduce morfogeneza ramificată mai devreme în dezvoltare, nu are niciun rol în diferențierea tipurilor de celule epiteliale sau mezenchimale 29. Acest lucru sugerează redundanță funcțională în diferitele regulatoare din amonte ale semnalizării Wnt în dezvoltarea pulmonară embrionară.

Mai mulți liganzi Wnt au fost bine caracterizați în stadiul pseudoglandular. Wnt5a este exprimat difuz atât în ​​epiteliu cât și în mezenchim încă din E12.0 31 (Fig. 2b). Expresia sa este dinamică și cea mai înaltă în epiteliul distal la vârfurile punctului de ramificare la E16.0 și este critică pentru alungirea traheală, modelarea inelului cartilajului și limitarea expansiunii căilor respiratorii distale 31,32,33. Mai mult, epitelialul Wnt5a reglează morfogeneza distală a plămânilor prin suprimarea și activarea ariciului sonic (Shh) și a semnalizării Fgf10, respectiv 34. Wnt5a mezenchimală este responsabilă în principal de alungirea traheală și de formarea inelului cartilajului prin mecanisme dependente de Ror2 în mezenchimul traheal 33 dorsal.

Wnt2a este exprimat în stratul submesotelial pulmonar distal în timpul morfogenezei ramificate 20. FGF9 derivat epitelial sau mezotelial declanșează activarea FGFR1 / 2 mezenchimală la E13.5 14. Fgfr1 / 2 activează apoi Wnt2a submesotelială pentru a converge la semnalizarea β-cateninei care, la rândul său, promovează proliferarea celulelor mezenchimale, care este importantă pentru creșterea organelor 14 (Fig. 2b). Β-catenina mezodermică promovează suplimentar amplificarea progenitorului Fgf10 + PSMC, dar nu joacă niciun rol în diferențierea lor față de SMC. Cu toate acestea, diferențierea corectă a celulelor endoteliale este condiționată de semnalizarea β-cateninei, indicând necesitatea acesteia pentru formarea mai multor linii mezenchimale prin intermediul mecanismelor dependente ale factorului de transcripție 2 al homeodomeniului (PITX2) 15.

Wnt7b este exprimat de-a lungul epiteliului căilor respiratorii de la începutul etapei pseudoglandulare, cu cea mai mare expresie localizată la nivelul căilor respiratorii distale, în special vârfurile mugurilor pulmonari 35,36 (Fig. 2b). Șoarecii cu pierdere de funcție Wnt7b păstrează modelarea proximodistală în ciuda arhitecturii pulmonare mai mici și a formării incomplete a inelului cartilaginos 35,37. Mai mult, semnalizarea Wnt7b autocrină guvernează proliferarea epitelială, în parte, prin mecanisme dependente de Bmp4 37.

Semnalele Wnt epiteliale livrate mezenchimului suprapus joacă, de asemenea, un rol instrumental în această etapă a dezvoltării pulmonare. Wnt7b derivat endodermic promovează proliferarea mezenchimală pulmonară și creșterea vasculaturii pulmonare în această etapă 35,37 (Fig. 2b), deoarece inactivarea sa are ca rezultat hipoplazie pulmonară de șoarece, integritate musculară netedă vasculară slăbită și moarte în câteva minute postnatal datorită insuficienței respiratorii 35. Wnt7b furnizează, de asemenea, un semnal paracrin către mezenchimul adiacent pentru a promova proliferarea SMC pulmonară Pdgfrβ + și angajamentul față de SMC vascular 38, care este mediată de proteina matricei extracelulare tenascină C 38 (Fig. 2b).

La fel ca în faza embrionară, reglarea strânsă a activității de semnalizare Wnt canonică este importantă și în etapa pseudoglandulară. Notum, o diacilază care elimină modificările lipidice Wnt și, prin urmare, inhibă secreția Wnt, este esențială pentru dezvoltarea traheală 39. Șoarecii notum knockout prezintă stenoza traheală, reducerea inelelor cartilaginoase și mușchiul traheal cu E16,5 39. Notum este reglementat de Wntless (Wls), o proteină de marfă implicată în traficul de Wnt modificat cu lipide de la Golgi la suprafața celulei. Ștergerea epitelială a Wls afectează, de asemenea, dezvoltarea traheală, morfogeneza ramificată și modelarea proximo-distală încă din E12,5 39,40. Mai mult, în explante pulmonare cultivate, inhibitorul de semnalizare Wnt canonic dickkopf1 (Dkk1) inhibă ramificarea arborelui pulmonar și diferențierea mezenchimală prin scăderea expresiei Wench2a mezenchimale distale, Pdgfrα, fibronectină și a actinei musculare alfa-netede 20.

Inhibarea semnalizării Wnt canonice în stadiul pseudoglandular se realizează și prin activarea semnalizării Wnt necanonice. Expresia epitelială a proteinelor receptorului 1 de tip G (Celsr1) și a proteinei PCP 2 (Vangl2) de la Cadherin EGF LAG implicate în axa PCP promovează morfogeneza ramificată, deoarece șoarecii cu mutații din oricare dintre aceste proteine ​​prezintă plămâni deformați și mai puțini, mai mult lumeni îngusti ai căilor respiratorii 41. In addition, transcription factor Gata binding factor 6 (Gata6) activates non-canonical receptor Frizzled (Fzd2), which inhibits canonical Wnt signaling to constrain bronchioalveolar stem cell expansion during development 42 . The loss of Gata6 in Sftpc+ lung epithelium leads to dilated airways and neonatal death 42 .

Canalicular/saccular stages (E16.5-P4)

While dispensable for early proximo-distal patterning, canonical Wnt7b ligand promotes distal Aquaporin5+ ATI lung epithelial cell differentiation during the canalicular and saccular stages 35 . These findings stand in contrast to those found by another group identifying normal, preserved cell differentiation from Wnt7b −/− mouse lungs 37 . Others report that β-catenin in Sftpc-expressing lung endodermal progenitor cells is necessary for the formation of terminal alveolar saccules, as its loss results in a proximalized lung with enlarged bronchial tubes as early as E13.5 43,44 . Ectopic Dkk1 expression phenocopies these findings, likely through activation of Fgf10-Fgfr2 signaling 44 . During this stage, β-catenin is sufficient but not necessary for Sftpc+ lung endodermal progenitor cell proliferation 45 . Constitutive activation of β-catenin decreases differentiation of distal pulmonary cell types and instead promotes ectopic expression of gut and intestinal cell lineages 45 . This is accomplished by β-catenin binding to the N-myc, Bmp4, și Fgf promoters 44 (Fig. 2c).

Alveolarization stage (P4–P21)

Although studies have well characterized the mechanisms underpinning several early stages of lung development and the involvement of Wnt signaling, this remains poorly understood in the alveolarization stage. Early studies by Mucenski et al. demonstrate that a constitutively active form of β-catenin results in Forkhead boxa2 (Foxa2) inhibition, thereby contributing to epithelial cell dysplasia and goblet cell hyperplasia 46 . More recently, a study found a wave of Wnt signaling emerges in the late sacculation/early alveologenesis stage, marked by the expansion of Wnt-dependent AXIN2+ alveolar type II (ATII) cells that contribute to the budding alveolus 47 (Fig. 2d). In contrast, low Wnt signaling skews the cellular fate toward an alveolar type I (ATI)-like lineage 47 . These results not only indicate the critical role of β-catenin, but also suggest that its tight spatiotemporal regulation is important for proper respiratory epithelial differentiation.

Prospective/discussion of Wnt signaling in lung development

While all of these studies have proven instrumental in allowing us to define the role of Wnt signaling throughout the varying stages of lung development, much remains to be learned. It is apparent that the phases of lung development are interdependent on each other, rendering it difficult to interpret the biology that is specifically responsible for a given phase in isolation from other phases of development. It is critical that we begin to further dissect the dynamic nature of niche interactions during distinct phases of development. As such, development of novel tools to achieve this level of granularity and isolation will yield more nuanced insight of not only Wnt signaling, but other signaling cascades, in lung developmental biology. In addition, the advent of in vitro organoid systems has and will continue to allow for us to better understand human airway and lung development specifically. At the molecular level, much remains to be understood about the dynamic receptor–ligand interactions. The seminal work of Szenker-Ravi et al. and Lebensohn et al. raises the question: how does Rspo2 mechanistically potentiate Wnt signaling in the absence of LGR receptors 4,30 ? Under what circumstances is R-spondin interaction with its cognate LGR required for distinct phases of development?


Network Topology Mapping Software

Now that we know the different types of topology, it is time to consider how to design your network from scratch. There are several software products that allow you to create your own network topology diagrams. Network topology diagrams show you a diagram of how your network connects together and helps you to create an efficient network design. It also provides you with a reference point that assists you when you attempt to run troubleshooting to fix faults.

What should you look for in network topology mapping software?

We reviewed the market for network topology mapping software and analyzed the options based on the following criteria:

  • Automatic network discovery
  • Live topology map creation for up-to-date
  • Device identifiers and statuses displayed on the map
  • Options for different layout formats
  • Options to manually redesign the network layout within the mapper
  • A free assessment period or money-back guarantee
  • Value for money, represented by a price that represents a good deal for the number of tools the package includes

Microsoft Visio

There are many different network topology mapping products out there but one of the most widely-used is Microsoft Visio. With Microsoft Visio, you can draw up your network by adding network elements to a canvas. This program allows you to design a topology diagram that details your network. Of course, drawing up your own network isn’t always ideal particularly when you’re attempting to map a larger computer network.

SolarWinds Network Topology Mapper (FREE TRIAL)

As a result, you might want to consider using another tool like SolarWinds Network Topology Mapper which can autodiscover devices connected to your network. Autodiscovery comes in handy because it means that you don’t have to draw up your network structure manually.


Rezultate

Biomimetic Scaffold Preparation

The biomimetic PCL scaffold was designed to closely mimic the anatomy and mechanical behavior of the native trachea in a 4-month-old New Zealand white rabbit. PCL was 3D-printed into a biomimetic framework with a separated-ring structure. The width of each PCL ring was 1.0 mm and the distance between adjacent PCL rings was 1.0 mm. The luminal diameter was 5 mm, which is close to the average diameter of a rabbit’s native trachea (Figure 1A). Mechanical testing results indicated that the biomimetic PCL scaffold exhibited better bending and extension properties in the longitudinal compared with the cylindrical PCL tube (Figure 1A and Supplementary Video 1). Furthermore, the biomimetic PCL scaffold exhibited better longitudinal flexibility in the three-point bending test (Figure 1B), but it maintained similar radial rigidity compared with the cylindrical PCL tube (Figure 1C), and it returned to its original shape when the load was removed (Supplementary Video 2).

Figura 1. Mechanical properties of the biomimetic PCL scaffold. Bending and extending tests of the biomimetic PCL scaffold and the cylindrical PCL tube (A). Three-point bending (B) and compression test (C) of the biomimetic PCL scaffold and the cylindrical PCL tube (N = 3 per group).

Next, collagen sponge was added into the spaces amid the PCL rings of the scaffold by a pouring-lyophilization method for tracheal cartilage formation. The collagen sponge was successfully loaded between the PCL rings and formed a biomimetic scaffold with a collagen ring-PCL ring alternating structure (Figure 2A). SEM images revealed that the collagen region exhibited a porous structure (Figures 2B,C), which favors chondrocyte attachment, proliferation, and secretion of cartilage-specific extracellular matrix (ECM). Conversely, the PCL regions in both the biomimetic scaffold and cylindrical tube displayed a non-porous structure (Figures 2D𠄿), which prevented cells from penetrating into the PCL scaffold.

Figura 2. Morphology of the biomimetic scaffold and cylindrical tube. Macro-morphology of the biomimetic scaffold (A) and cylindrical tube (B). Micro-morphology of the biomimetic scaffold (B𠄼) and cylindrical tube (E𠄿) as observed by SEM. The green arrow indicates the collagen region, and the yellow arrow indicates the PCL region.

Tracheal Cartilage Formation in vitro

Tracheal cartilage formation was evaluated by in vitro experiments. After the biomimetic scaffolds were recolonized with chondrocytes and cultured in vitro for 4 weeks, the chondrocyte-scaffold constructs formed a tubular structure with a distinguished separated-ring structure (Figures 3A,B). The regions in collagen ring displayed a visible cartilage-like tissue, while the cartilage-like tissue was obscure in the PCL regions. Histological analysis of a longitudinal section further confirmed the marked difference between the collagen region and the PCL region (Figures 3D1–G1): cartilage-like tissue with a primary lacuna structure containing GAG and collagen II was formed in the collagen region (Figures 3D2–G2), while virtually no cartilage tissue was formed in the PCL region (Figures 3D3–G3), and only a thin layer of cartilage-like tissue was observed on the outer surface of the PCL.

Figura 3. In vitro biomimetic trachea regeneration. Gross view of the biomimetic trachea after 4 weeks in vitro cultură (A,B). (C) shows the sectioning schematic. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a longitudinal section of the engineered biomimetic trachea (D1–G1). Magnified views of a cartilage ring (D2–G2) and PCL ring (D3–G3). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions.

Biomimetic Trachea Formation in vivo

The biomimetic scaffold was further evaluated for its ability to facilitate the formation of a biomimetic trachea in vivo. After the scaffold was subcutaneously incubated in a nude mouse for 6 weeks, an intact tubular tissue with a visible separated-ring structure was generated (Figures 4A,B). Histological images of a longitudinal section (Figure 4C) showed that cartilage rings and PCL rings were alternately arranged in the structure (Figures 4D1–G1). Specifically, a mature cartilage-specific tissue with a typical lacuna structure and positive staining of safranin-O and collagen II formed in the collagen regions (Figures 4D2–G2), but there were no traces of any cells or tissues in the PCL region (Figures 4D3–G3). These findings were further confirmed by microscopic observation of transverse histological sections (Figures 5A,B). Importantly, quantitative analyses showed that the in vivo engineered sample showed apparently higher biochemical contents (DNA, GAG, collagen II, and total collagen) than those of the in vitro engineered sample (Figures 5C𠄿), and had comparable GAG and collagen II contents (Figures 5D,E) and slightly lower DNA and total collagen contents (Figures 5C,F) compared with native tracheal tissue.

Figura 4. In vivo biomimetic trachea formation and histological analysis of a longitudinal section. Gross view of the biomimetic trachea after 6 weeks in vivo incubation (A,B). (C) shows the sectioning schematic. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a longitudinal section of the engineered biomimetic trachea (D1–G1). Magnified views of the cartilage ring (D2–G2) and PCL ring (D3–G3). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions.

Figure 5. Histological analysis of a transverse section of in vivo engineered biomimetic trachea and biochemically quantitative evaluation. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a transverse section of the in vivo engineered biomimetic trachea and representative magnified images of the cartilage ring (A). HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a transverse section of the in vivo engineered trachea and representative magnified images of the PCL ring (B). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions. Quantitative measures of the DNA content (C), GAG content (D), collagen II content (E), and total collagen content (F) in samples engineered in vitro și in vivo as well as its native tracheal counterpart. N = 3 per group. *P < 0.05.

The constructs retrieved after 6 weeks of in vivo incubation were subjected to mechanical testing, and load-displacement curves were derived to compare the mechanical behavior with that of a native trachea. In a three-point bending test, the load curve of the biomimetic trachea was very similar to that of the native trachea until the displacement reached about 2.5 mm (Figure 6A). This finding indicates that the biomimetic trachea closely mimics the native trachea in terms of longitudinal flexibility. In a radial compression test, the load curve of the biomimetic trachea was discernibly higher than that of the native trachea (Figure 6B), and the biomimetic trachea returned to its original shape when the load was removed (Supplementary Video 3). These findings demonstrated that the biomimetic trachea was superior to the native trachea in terms of radial rigidity.

Figure 6. Mechanical characteristics of the engineered biomimetic trachea cultured in vivo. Three-point bending (A) and compression testing (B) of the biomimetic trachea and native trachea (N = 3 per group).

Long-Segment Tracheal Replacement Using the Engineered Biomimetic Trachea

To further evaluate the feasibility of the biomimetic trachea in repairing long-segment tracheal defects in a more applied manner, we performed a trachea replacement in a rabbit model (Figure 7). The engineered biomimetic trachea exhibited sufficient strength to be attached to the native trachea using sutures. As listed in the Supplementary Table 1, neither operative death nor anastomotic dehiscence occurred in any rabbit. After the replacement operation, neither air leakage nor collapse around the biomimetic trachea was observed. None of the rabbits showed any sign of stridor or dyspnea during the recovery period. In addition, all rabbits survived without obvious inflammatory exudation, formation of granulation tissues, anastomotic leakage, or stenosis in the operation area over 8 weeks following the surgery.

Figure 7. Tracheal replacement using the biomimetic trachea. Schematic illustration of the replacement surgery (A). Biomimetic trachea transplantation by end-to-end anastomosis (B).

Bronchoscopy examinations at 4 and 8 weeks following implantation showed that the lumen of the biomimetic trachea remained patent at both time points, and overgrowth of granulation tissue seldom occurred (Figures 8A,E). These findings were further confirmed by gross observation (Figures 8B,F). In addition, histological images showed that the ring shapes in both the cartilage and PCL regions remained intact (Figures 8C,D,G,H). Notably, the biomimetic tracheas developed the structures and features of cartilage-like tissue with lacunar structures (Figures 8C1� and G1–H1) and cartilage ECM, as evidenced by positive safranin-O (Figures 8C2� and G2–H2), immunohistochemical collagen II (Figures 8C3� and G3–H3), and toluidine blue (Figures 8C4� and G4–H4) staining, at both 4 and 8 weeks following implantation. All the quantitative indexes, including contents of DNA, GAG, collagen II, and total collagen, apparently increased with the prolonged tracheal replacement time from 4 to 8 weeks (Figure 9). These results indicate that the biomimetic trachea is suitable for long-segment tracheal replacement.

Figura 8. Therapeutic outcome after tracheal replacement. Bronchoscopy and gross examination images of the biomimetic trachea 4 weeks after the replacement surgery (A,B). Histological images of a transverse section of the biomimetic trachea showing a cartilage ring (C,C1�) and a PCL ring (D,D1�) 4 weeks after the replacement surgery. Bronchoscopy and gross examination images of the biomimetic trachea 8 weeks after the replacement surgery (E,F). Histological images of a transverse section of the biomimetic trachea showing a cartilage ring (G,G1–G4) and a PCL ring (H,H1–H4) 8 weeks after the replacement surgery. The biomimetic trachea is delineated by red dotted lines.

Figure 9. Quantitative analyses of the biomimetic trachea after tracheal replacement. DNA content (A), GAG content (B), collagen II content (C), and total collagen content (D) of the biomimetic after tracheal replacement for 4 and 8 weeks. N = 3 per group. *P < 0.05.


Referințe

Andrews SS, Wren J (2017) Smoldyn: particle-based simulation with rule-based modeling, improved molecular interaction and a library interface. Bioinformatics 33:710–717. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btw700

Arasada R, Pollard TD (2011) Distinct roles for F-BAR proteins Cdc15p and Bzz1p in actin polymerization at sites of endocytosis in fission yeast. Curr Biol 21:1450–1459. https://doi.org/10.1016/j.cub.2011.07.046

Beltzner CC, Pollard TD (2008) Pathway of actin filament branch formation by Arp2/3 complex. J Biol Chem 283:7135–7144. https://doi.org/10.1074/jbc.M705894200

Berro J, Lacy MM (2018) Quantitative biology of endocytosis. Morgan & Claypool, San Rafael

Berro J, Pollard TD, Sirotkin V (2010a) What we learned from mathematical modeling of actin patch kinetics during endocytosis in fission yeast. 49th ASCB annual meeting. https://www.ascb.org/wp-content/uploads/2015/12/2010ASCBFullProgram1.pdf. Accessed 6 Nov

Berro J, Sirotkin V, Pollard TD (2010b) Mathematical modeling of endocytic actin patch kinetics in fission yeast: disassembly requires release of actin filament fragments. Mol Biol Cell 21:2905–2915. https://doi.org/10.1091/mbc.e10-06-0494

Bialek W, Botstein D (2004) Introductory science and mathematics education for 21st-century biologists. Science 303:788–790. https://doi.org/10.1126/science.1095480

Blanchoin L, Pollard TD (1999) Mechanism of interaction of Acanthamoeba actophorin (ADF/Cofilin) with actin filaments. J Biol Chem 274:15538–15546. https://doi.org/10.1074/jbc.274.22.15538

Blinov ML, Schaff JC, Vasilescu D et al (2017) Compartmental and spatial rule-based modeling with virtual cell. Biophys J 113:1365–1372. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.08.022

Boutillier P, Maasha M, Li X et al (2018) The kappa platform for rule-based modeling. Bioinformatics 34:i583–i592. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty272

Box GEP, Draper NR (1987) Empirical model-building and response surfaces, 1st edn. Wiley, New York

Chang F, Drubin D, Nurse P (1997) cdc12p, a protein required for cytokinesis in fission yeast, is a component of the cell division ring and interacts with profilin. J Cell Biol 137:169–182. https://doi.org/10.1083/jcb.137.1.169

Chang FS, Stefan CJ, Blumer KJ (2003) A WASp homolog powers actin polymerization-dependent motility of endosomes in vivo. Curr Biol 13:455–463. https://doi.org/10.1016/S0960-9822(03)00131-3

Chen Q, Pollard TD (2011) Actin filament severing by cofilin is more important for assembly than constriction of the cytokinetic contractile ring. J Cell Biol 195:485–498. https://doi.org/10.1083/jcb.201103067

Chen Q, Pollard TD (2013) Actin filament severing by cofilin dismantles actin patches and produces mother filaments for new patches. Curr Biol 23:1154–1162. https://doi.org/10.1016/j.cub.2013.05.005

Doudna J, Bar-Ziv R, Elf J et al (2017) How will kinetics and thermodynamics inform our future efforts to understand and build biological systems? Cell Syst 4:144–146. https://doi.org/10.1016/j.cels.2017.02.005

Drubin DG, Oster G (2010) Experimentalist meets theoretician: a tale of two scientific cultures. Mol Biol Cell 21:2099–2101. https://doi.org/10.1091/mbc.E10-02-0143

Dyson F (2004) A meeting with Enrico Fermi. In: Nature. https://www.nature.com/articles/427297a. Accessed 9 Jul 2018

Félix M-A, Barkoulas M (2015) Pervasive robustness in biological systems. Nat Rev Genet 16:483–496. https://doi.org/10.1038/nrg3949

Flexner A (1939) The usefulness of useless knowledge. Harpers Mag 544–552. https://harpers.org/archive/1939/10/the-usefulness-of-useless-knowledge/. Accessed 6 Nov

Fujiwara I, Vavylonis D, Pollard TD (2007) Polymerization kinetics of ADP- and ADP-Pi-actin determined by fluorescence microscopy. Proc Natl Acad Sci 104:8827–8832. https://doi.org/10.1073/pnas.0702510104

Gachet Y, Hyams JS (2005) Endocytosis in fission yeast is spatially associated with the actin cytoskeleton during polarised cell growth and cytokinesis. J Cell Sci 118:4231–4242. https://doi.org/10.1242/jcs.02530

Gilliam T, Jones T (1975) Monty Python and the Holy Grail. EMI Films. https://www.imdb.com/title/tt0071853/. Accessed 6 Nov

Goldstein RE (2018) Point of view: are theoretical results ‘Results’? In: eLife. https://elifesciences.org/articles/40018. Accessed 21 Aug 2018

Gostner R, Baldacci B, Morine MJ, Priami C (2014) Graphical modeling tools for systems biology. ACM Comput Surv 47:16:1–16:21. https://doi.org/10.1145/2633461

Gunawardena J (2014) Models in biology: ‘accurate descriptions of our pathetic thinking. BMC Biol 12:29. https://doi.org/10.1186/1741-7007-12-29

Harris LA, Hogg JS, Tapia J-J et al (2016) BioNetGen 2.2: advances in rule-based modeling. Bioinformatics 32:3366–3368. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btw469

Hoops S, Sahle S, Gauges R et al (2006) COPASI—a COmplex PAthway SImulator. Bioinformatics 22:3067–3074. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btl485

Howard J (2014) Quantitative cell biology: the essential role of theory. Mol Biol Cell 25:3438–3440. https://doi.org/10.1091/mbc.e14-02-0715

Hucka M, Finney A, Sauro HM et al (2003) The systems biology markup language (SBML): a medium for representation and exchange of biochemical network models. Bioinformatics 19:524–531. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btg015

Idrissi F-Z, Grötsch H, Fernández-Golbano IM et al (2008) Distinct acto/myosin-I structures associate with endocytic profiles at the plasma membrane. J Cell Biol 180:1219–1232. https://doi.org/10.1083/jcb.200708060

Kaksonen M, Sun Y, Drubin DG (2003) A pathway for association of receptors, adaptors, and actin during endocytic internalization. Cell 115:475–487. https://doi.org/10.1016/S0092-8674(03)00883-3

Kaksonen M, Toret CP, Drubin DG (2005) A modular design for the clathrin- and actin-mediated endocytosis machinery. Cell 123:305–320. https://doi.org/10.1016/j.cell.2005.09.024

Kaksonen M, Toret CP, Drubin DG (2006) Harnessing actin dynamics for clathrin-mediated endocytosis. Nat Rev Mol Cell Biol 7:404–414. https://doi.org/10.1038/nrm1940

Kim K, Galletta BJ, Schmidt KO et al (2006) Actin-based motility during endocytosis in budding yeast. Mol Biol Cell 17:1354–1363. https://doi.org/10.1091/mbc.e05-10-0925

Kitano H (2007) Towards a theory of biological robustness. Mol Syst Biol 3:137. https://doi.org/10.1038/msb4100179

Kovar DR, Kuhn JR, Tichy AL, Pollard TD (2003) The fission yeast cytokinesis formin Cdc12p is a barbed end actin filament capping protein gated by profilin. J Cell Biol 161:875–887. https://doi.org/10.1083/jcb.200211078

Kovar DR, Wu J-Q, Pollard TD (2005) Profilin-mediated competition between capping protein and formin Cdc12p during cytokinesis in fission yeast. Mol Biol Cell 16:2313–2324. https://doi.org/10.1091/mbc.e04-09-0781

Kuhn JR, Pollard TD (2007) Single molecule kinetic analysis of actin filament capping polyphosphoinositides do not dissociate capping proteins. J Biol Chem 282:28014–28024. https://doi.org/10.1074/jbc.M705287200

Lacy MM, Ma R, Ravindra NG, Berro J (2018) Molecular mechanisms of force production in clathrin-mediated endocytosis. FEBS Lett. https://doi.org/10.1002/1873-3468.13192

Lopez CF, Muhlich JL, Bachman JA, Sorger PK (2013) Programming biological models in Python using PySB. Mol Syst Biol 9:646. https://doi.org/10.1038/msb.2013.1

Lord M, Laves E, Pollard TD (2005) Cytokinesis depends on the motor domains of myosin-II in fission yeast but not in budding yeast. Mol Biol Cell 16:5346–5355. https://doi.org/10.1091/mbc.e05-07-0601

Ma R, Berro J (2018) Structural organization and energy storage in crosslinked actin assemblies. PLoS Comput Biol 14:e1006150. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006150

Marshall WF (2017) Introduction to quantitative cell biology. Morgan & Claypool Life Sciences, San Rafael

Matsumura F (2005) Regulation of myosin II during cytokinesis in higher eukaryotes. Trends Cell Biol 15:371–377. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2005.05.004

Mayer J, Khairy K, Howard J (2010) Drawing an elephant with four complex parameters. Am J Phys 78:648–649. https://doi.org/10.1119/1.3254017

Michaelis L, Menten ML (1913) Die Kinetik der Invertinwirkung. Biochem Z 49:333–369

Möbius W, Laan L (2015) Physical and mathematical modeling in experimental papers. Cell 163:1577–1583. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.12.006

Mogilner A, Wollman R, Marshall WF (2006) Quantitative modeling in cell biology: what is it good for? Dev Cell 11:279–287. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2006.08.004

Mogilner A, Allard J, Wollman R (2012) Cell polarity: quantitative modeling as a tool in cell biology. Science 336:175–179. https://doi.org/10.1126/science.1216380

Motegi F, Nakano K, Mabuchi I (2000) Molecular mechanism of myosin-II assembly at the division site in Schizosaccharomyces pombe. J Cell Sci 113:1813–1825

Naqvi NI, Wong KCY, Tang X, Balasubramanian MK (2000) Type II myosin regulatory light chain relieves auto-inhibition of myosin-heavy-chain function. Nat Cell Biol 2:855–858. https://doi.org/10.1038/35041107

Noble DB, Mochrie SGJ, O’Hern CS et al (2016) Promoting convergence: the integrated graduate program in physical and engineering biology at Yale University, a new model for graduate education. Biochem Mol Biol Educ 44:537–549. https://doi.org/10.1002/bmb.20977

O’Shaughnessy B, Pollard TD (2016) Mechanistic biological modeling thrives. Science 351:234–235. https://doi.org/10.1126/science.351.6270.234-c

Parsegian VA (1997) Harness the hubris: useful things physicists could do in biology. Phys Today 50:23–27. https://doi.org/10.1063/1.881805

Phillips R (2015) Theory in biology: figure 1 or figure 7? Trends Cell Biol 25:723–729. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2015.10.007

Phillips R (2017) Musings on mechanism: quest for a quark theory of proteins? FASEB J 31:4207–4215. https://doi.org/10.1096/fj.201700594

Pollard TD (2010) A guide to simple and informative binding assays. Mol Biol Cell 21:4061–4067. https://doi.org/10.1091/mbc.e10-08-0683

Pollard TD (2013) No question about exciting questions in cell biology. PLoS Biol 11:e1001734. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1001734

Pollard TD, De La Cruz EM (2013) Take advantage of time in your experiments: a guide to simple, informative kinetics assays. Mol Biol Cell 24:1103–1110. https://doi.org/10.1091/mbc.e13-01-0030

Popper KR (1959) The logic of scientific discovery. Hutchinson & Co., Ltd., London, p 480

Riveline D, Kruse K (2017) Interface between physics and biology: training a new generation of creative bilingual scientists. Trends Cell Biol 27:541–543. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2017.05.002

Roland J, Berro J, Michelot A et al (2008) Stochastic severing of actin filaments by actin depolymerizing factor/cofilin controls the emergence of a steady dynamical regime. Biophys J 94:2082–2094. https://doi.org/10.1529/biophysj.107.121988

Rothman JE (2018) Jim’s view: “Some Thoughts for Young Scientists.”. FEBS Lett 592:461–462. https://doi.org/10.1002/1873-3468.12960

Sirotkin V, Beltzner CC, Marchand J-B, Pollard TD (2005) Interactions of WASp, myosin-I, and verprolin with Arp2/3 complex during actin patch assembly in fission yeast. J Cell Biol 170:637–648. https://doi.org/10.1083/jcb.200502053

Sirotkin V, Berro J, Macmillan K et al (2010) Quantitative analysis of the mechanism of endocytic actin patch assembly and disassembly in fission yeast. Mol Biol Cell 21:2894–2904. https://doi.org/10.1091/mbc.e10-02-0157

Slepchenko BM, Schaff JC, Carson JH, Loew LM (2002) Computational cell biology: spatiotemporal simulation of cellular events. Annu Rev Biophys Biomol Struct 31:423–441. https://doi.org/10.1146/annurev.biophys.31.101101.140930

Thomas M, Schwartz R (2017) Quantitative computational models of molecular self-assembly in systems biology. Phys Biol 14:035003. https://doi.org/10.1088/1478-3975/aa6cdc

Ti S-C, Pollard TD (2011) Purification of actin from fission yeast Schizosaccharomyces pombe and characterization of functional differences from muscle actin. J Biol Chem 286:5784–5792. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.199794

Vavylonis D, Wu J-Q, Hao S et al (2008) Assembly mechanism of the contractile ring for cytokinesis by fission yeast. Science 319:97–100. https://doi.org/10.1126/science.1151086

Wick SM, Kane CM (2011) Cell biology education: where’s the math? Mol Biol Cell 22:716–716. https://doi.org/10.1091/mbc.e11-01-0029

Wu J-Q, Kuhn JR, Kovar DR, Pollard TD (2003) Spatial and temporal pathway for assembly and constriction of the contractile ring in fission yeast cytokinesis. Dev Cell 5:723–734. https://doi.org/10.1016/S1534-5807(03)00324-1

Wu J-Q, Sirotkin V, Kovar DR et al (2006) Assembly of the cytokinetic contractile ring from a broad band of nodes in fission yeast. J Cell Biol 174:391–402. https://doi.org/10.1083/jcb.200602032


Activity of 3-ketosteroid 9α-hydroxylase (KshAB) indicates cholesterol side chain and ring degradation occur simultaneously in Mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), a significant global pathogen, contains a cholesterol catabolic pathway. Although the precise role of cholesterol catabolism in Mtb remains unclear, the Rieske monooxygenase in this pathway, 3-ketosteroid 9α-hydroxylase (KshAB), has been identified as a virulence factor. To investigate the physiological substrate of KshAB, a rhodococcal acyl-CoA synthetase was used to produce the coenzyme A thioesters of two cholesterol derivatives: 3-oxo-23,24-bisnorchol-4-en-22-oic acid (forming 4-BNC-CoA) and 3-oxo-23,24-bisnorchola-1,4-dien-22-oic acid (forming 1,4-BNC-CoA). The apparent specificity constant (k(cat)/K(m)) of KshAB for the CoA thioester substrates was 20-30 times that for the corresponding 17-keto compounds previously proposed as physiological substrates. The apparent K(m)(O(2)) was 90 ± 10 μM in the presence of 1,4-BNC-CoA, consistent with the value for two other cholesterol catabolic oxygenases. The Δ(1) ketosteroid dehydrogenase KstD acted with KshAB to cleave steroid ring B with a specific activity eight times greater for a CoA thioester than the corresponding ketone. Finally, modeling 1,4-BNC-CoA into the KshA crystal structure suggested that the CoA moiety binds in a pocket at the mouth of the active site channel and could contribute to substrate specificity. These results indicate that the physiological substrates of KshAB are CoA thioester intermediates of cholesterol side chain degradation and that side chain and ring degradation occur concurrently in Mtb. This finding has implications for steroid metabolites potentially released by the pathogen during infection and for the design of inhibitors for cholesterol-degrading enzymes. The methodologies and rhodococcal enzymes used to generate thioesters will facilitate the further study of cholesterol catabolism.


Întrebări frecvente

Both Ring Video Doorbell 3 and Ring Video Doorbell 4 send notifications to your phone, tablet, and PC when anyone presses your doorbell or triggers the built-in motion sensors. When you answer the notification, you can see, hear, and speak to visitors from anywhere. Both battery-powered doorbells also have Advanced Motion Detection with Customizable Motion Zones, Quick Replies that help you answer the door when you’re busy, and customizable privacy settings.

The main difference is that Ring Video Doorbell 4 includes our Pre-Roll feature which allows you to see up to 4 additional seconds of color video before the motion event was even triggered – a first-to-market feature for battery-powered doorbells and unique exclusively to Ring. Ring Video Doorbell 4 also has improved performance from Ring Video Doorbell 3, including improved motion detection and night vision.

The main difference is the improvement in the Pre-Roll feature from Video Doorbell 3 Plus to Video Doorbell 4. The Pre-Roll video previews on Video Doorbell 4 are in color (vs black & white for Video Doorbell 3 Plus), higher quality video, and have improved functionality at nighttime. Ring Video Doorbell 4 also has improved battery life and performance from Ring Video Doorbell 3 Plus. Battery life will vary based on device settings, use, and environmental factors.

If you have a subscription to Ring Protect, videos captured by your doorbell or camera will be saved to your Ring account for up to 30 or 60 days depending on your location and photos captured will be saved to your Ring account for up to 7 days, so you can review them at any time.

A free 30-day Ring Protect Plus Trial is included with any Ring doorbell or camera purchase unless you are already subscribed to a Plus Plan at the same location of the new device. You can choose to subscribe to Ring Protect at any time to save, review and share all videos and photos captured by your doorbell or camera, and you will be charged when you subscribe to a plan and after your trial ends. More information about video storage can be found here.

If you have a subscription to Ring Protect, you can share your videos and photos with anyone, including neighbors, friends, family and local law enforcement. A free 30-day Ring Protect Plus Trial is included with any Ring doorbell or camera purchase unless you are already subscribed to a Plus Plan at the same location of the new device.1 You can choose to subscribe to Ring Protect at any time to save, review and share all videos and photos captured by your doorbell or cameral, and you will be charged when you subscribe to a plan and after your trial ends.

Click here to learn more about Ring Protect.

Ring Protect is a comprehensive service that activates video recording and photo capture, saving and sharing for your Ring doorbell or camera, plus a few extra perks.

Click here to learn more about Ring Protect.

No. You can still use your doorbell or camera to watch over your home and answer the door from anywhere, even without a subscription to Ring Protect. Without Ring Protect, you’ll still receive real-time notifications when anyone comes to your door, and you can answer the notification to see, hear and speak to visitors in real time right from your mobile device.

However, without a subscription to Ring Protect, you won’t be able to review any videos that you missed in real time, and you won’t be able to save your videos or share them with anyone. Photos will not be captured. Click here to learn more about Ring Protect and to choose a plan that works for you.

1 Free trial is not applicable for locations with an existing Ring Protect Plus subscription.
2 Sold separately. A compatible smart lock must be set up in the Ring App to enable this functionality.
3 Terms and limitations apply. See Ring Protect Subscription Plans for more information, including video storage limits, extended warranties, and the 10% discount.
4 Free trial is not applicable for locations with an existing Ring Protect Plus subscription.
5 Requires integration with Key by Amazon.


BIBLIOGRAPHY

Black, Uyless. ATM Volume III Internetworking with ATM. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1999.

FitzGerald, Jerry, and Alan Dennis. Business Data Communications and Networking. A 6-a ed. New York: John Wiley & Sons, 1999.

“ A Guide to Network Topology. & # x201D Learn Networking 26 Jan 2008. Available from: http://www.learn-networking.com/network-design/a-guide-to-network-topology.

Horn, Keith. “ 10-Gbit Ethernet Is Ready, Along with Its Customers. & # x201D Electronic Design 23 Aug 2004, 18.

“ How Does a T1 Line Work? & # x201D HowStuffWorks.com 3 May 2000. Available from: http://www.computer.howstuffworks.com/question372.htm.

Layton, Julia, and Curt Franklin. “ How Bluetooth Works. & # x201D HowStuffWorks.com 28 June 2000. Available from: http://www.electronics.howstuffworks.com/bluetooth.htm.

Lunetta, Lawrence F. “ How Network Configuration Management Improves Compliance and Productivity. & # x201D Enterprise Systems 22 Jan 2008. Available from: http://www.esj.com/enterprise/article.aspx?EditorialsID=2975.

Marsh, David. “ Ethernet Keeps Pumping the Data. & # x201D EDN 14 Oct 2004, 63.

— — — . “ Power and Wireless Options Extend Ethernet's Reach. & # x201D EDN 11 November 2004, 67.

Panko, Raymond. Business Data Communications and Networking. A 2-a ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1999.

Pidgeon, Nick. “ How Ethernet Works. & # x201D HowStuffWorks.com 1 Apr 2000. Available from: http://www.computer.howstuffworks.com/ethernet.htm.

Stamper, David A. Business Data Communications. A 5-a ed. New York: Addison-Wesley, 1999.

Tyson, Jeff. “ How LAN Switches Work. & # x201D HowStuffWorks.com 24 Jan 2001. Available from: http://www.computer.howstuffworks.com/lan-switch.htm.

Vargo, J., and R. Hunt. Telecommunications in Business. Chicago: Irwin, 1996.