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一种地方感,多次出现 - 重复形态结构的形成和演化。

A sense of place, many times over - pattern formation and evolution of repetitive morphological structures.

机构信息

DUW Zoology, University of Basel, Basel, Switzerland.

出版信息

Dev Dyn. 2020 Mar;249(3):313-327. doi: 10.1002/dvdy.131. Epub 2019 Nov 22.

DOI:10.1002/dvdy.131
PMID:31702845
Abstract

Fifty years ago, Lewis Wolpert introduced the concept of "positional information" to explain how patterns form in a multicellular embryonic field. Using morphogen gradients, whose continuous distributions of positional values are discretized via thresholds into distinct cellular states, he provided, at the theoretical level, an elegant solution to the "French Flag problem." In the intervening years, many experimental studies have lent support to Wolpert's ideas. However, the embryonic patterning of highly repetitive morphological structures, as often occurring in nature, can reveal limitations in the strict implementation of his initial theory, given the number of distinct threshold values that would have to be specified. Here, we review how positional information is complemented to circumvent these inadequacies, to accommodate tissue growth and pattern periodicity. In particular, we focus on functional anatomical assemblies composed of such structures, like the vertebrate spine or tetrapod digits, where the resulting segmented architecture is intrinsically linked to periodic pattern formation and unidirectional growth. These systems integrate positional information and growth with additional patterning cues that, we suggest, increase robustness and evolvability. We discuss different experimental and theoretical models to study such patterning systems, and how the underlying processes are modulated over evolutionary timescales to enable morphological diversification.

摘要

五十年前,Lewis Wolpert 提出了“位置信息”的概念,用以解释多细胞胚胎场中模式是如何形成的。他利用形态发生梯度,通过阈值将连续的位置值离散化为不同的细胞状态,从理论上为“法国国旗问题”提供了一个优雅的解决方案。在随后的几年里,许多实验研究为 Wolpert 的观点提供了支持。然而,对于自然界中经常出现的高度重复的形态结构的胚胎模式形成,鉴于需要指定的不同阈值数量,严格执行他最初的理论可能会暴露出其局限性。在这里,我们回顾了位置信息是如何补充和规避这些不足的,以适应组织生长和模式周期性。特别是,我们关注由这些结构组成的功能解剖组合,如脊椎动物的脊柱或四足动物的趾骨,其中产生的分段结构与周期性模式形成和单向生长内在相关。这些系统将位置信息和生长与其他模式形成线索结合在一起,我们认为,这些线索增加了稳健性和可进化性。我们讨论了不同的实验和理论模型来研究这些模式形成系统,以及在进化时间尺度上如何调节潜在过程,以实现形态多样化。

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