Quantification of cellular contributions to multi-cellular pattern formation

تُبنى الحياة على الأنماط. فمن الخطوط على جسد الحمار الوحشي إلى ترتيب الأوراق على الساق، تنظم الكائنات الحية نفسها باستمرار في هياكل معقدة ومتكررة. هذه العملية، المعروفة باسم "تكوين النمط"، هي عملية أساسية لكيفية نمو الحيوان من خلية واحدة إلى كائن كامل التكوين، وكيفية التئام جروحه بعد الإصابة، وللأسف، كيف تنتشر أمراض مثل السرطان. لعقود من الزمن، حاول العلماء فهم المحرك الكامن وراء هذا التنظيم. لقد عرفوا منذ زمن طويل أن الخلايا يمكنها تغيير هويتها، أو التحرك، أو الانقسام، أو الموت، وأن أيًا من هذه الأفعال يمكن أن يخلق التصاميم واسعة النطاق التي نراها في الطبيعة. كان التحدي يكمن في تحديد أي من هذه الأفعال الخلوية هو المحرك الأساسي في أي موقف معين. هل يتم إنشاء النمط لأن الخلايا تتحرك إلى أماكن محددة، أم لأنها تنقسم أكثر في مناطق معينة؟ حتى الآن، كان الرد على هذا السؤال يتطلب عادةً من الباحثين تخمين آلية محددة أولاً، ثم بناء نموذج رياضي معقد بناءً على ذلك التخمين، ومن ثم معرفة ما إذا كان النموذج يطابق الواقع. وإذا كان التخمين خاطئًا، كان يتعين على التحقيق بأكمله أن يبدأ من جديد.

يتجاوز نهج جديد، طوره باحثون في جامعة إكس مارسيليا ومعهد EMBL هايدلبرغ، لعبة التخمين هذه تمامًا. فبدلاً من البدء بنظرية حول كيفية "يجب" أن تتصرف الخلايا، ابتكروا طريقة لمراقبة ما "تفعله" الخلايا بالفعل وقياس مدى مساهمة كل فعل محدد في النمط النهائي. أطلقوا على أداتهم اسم CREDIT، وهي اختصار لـ "الأدوار الخلوية في التطور الناشئ المستنتج من المسارات" (Cellular Roles in Emergent Development Inferred from Tracks). تعتمد هذه الطريقة على لقطات فيديو عالية الجودة لخلايا حية، حيث يمكن للعلماء تتبع الموقع الدقيق لكل خلية على حدة بمرور الوقت وقياس مقدار البروتين الذي تنتجه كل خلية. ومن خلال تحليل هذه المسارات، يمكن للباحثين فصل النمط الإجمالي رياضياً إلى مكوناته، وتحديد كمية التصميم الناتجة عن حركة الخلايا، وكمية الناتجة عن انقسام الخلايا، وكمية الناتجة عن تغير الكيمياء الداخلية للخلايا.

اختبر الباحثون طريقتهم أولاً باستخدام محاكاة حاسوبية حيث كانوا يعرفون الإجابة مسبقاً. لقد أنشأوا عوالم افتراضية حيث يمكنهم رفع أو خفض "مستوى صوت" حركة الخلايا، وفعل الشيء نفسه لانقسام الخلايا وموتها. في هذه المحاكاة المحكومة، حددت الأداة القوة المهيمنة بشكل صحيح. فعندما أمروا الخلايا الافتراضية بالتحرك لتشكيل نمط، قالت الأداة إن الحركة هي السبب. وعندما أمروا الخلايا بالانقسام في أماكن محددة لإنشاء التصميم، حددت الأداة أن الانقسام هو المحرك. أثبت هذا التحقق أن الطريقة تعمل دون الحاجة إلى معرفة القواعد الكامنة في النظام؛ فهي ببساطة تراقب هندسة الخلايا والنمط الناتج لاستنتاج السبب.

بعد إثبات موثوقية الأداة، طبقها الفريق على بيانات بيولوجية حقيقية. كان الموضوع الأول عبارة عن تجمع من خلايا جنين الفأر، وتحديداً من نسيج يسمى "المنطقة الميزوديرمية قبل الجسية" (presomitic mesoderm)، وهي ضرورية لتكوين العمود الفقري والعضلات. في هذه التجارب، شكلت الخلايا مجموعات وأنماطاً متميزة من بروتين يسمى T/Brachyury. كانت الدراسات السابقة قد اقترحت أن الخلايا قد تتحرك إلى هذه المواقع بسبب إشارات كيميائية، أو أن الخلايا تغير مستويات بروتينها لإنشاء النمط. ومع ذلك، عندما أجرى الباحثون تحليلهم الجديد، كانت النتيجة واضحة وحاسمة: كان النمط مدفوعاً بالكامل تقريباً بالحركة الفيزيائية للخلايا. فقد تحركت الخلايا وتجمعت في مجموعات، وكانت هذه الحركة وحدها كافية لإنشاء النمط الملحوظ. أما التغيرات في مستويات البروتين الداخلية للخلايا فقد لعبت دوراً ضئيلاً في تشكيل التصميم. يدعم هذا الاكتشاف فكرة أن القوى الميكانيكية وحركة الخلايا هي المعماري الرئيسي لهذه المرحلة التنموية المحددة.

ثم وجه الباحثون اهتمامهم إلى نظام مختلف تماماً: مزارع خلايا سرطان الثدي. في هذه الأطباق، تنظم خلايا السرطان نفسها في "بيئات" (niches)، أو مجموعات، تشبه البيئات التي تعيش فيها الخلايا الجذعية عادةً. وتتميز هذه المجموعات ببروتين محدد يسمى ALDH1A1، المرتبط بالخلايا الجذعية السرطانية. إن فهم كيفية تشكل هذه المجموعات أمر حيوي لأنها غالباً ما تكون مسؤولة عن مقاومة الأورام للعلاج. في هذه الحالة، كشفت الطريقة الجديدة قصة مختلفة تماماً. هنا، لم يكن النمط مدفوعاً بتحرك الخلايا إلى مواقع محددة. بدلاً من ذلك، أظهر التحليل أن تشكل بيئات الخلايا الجذعية السرطانية كان مدفوعاً بشكل حصري تقرياً بانقسام الخلايا. كانت الخلايا تنقسم بمعدل أكبر في مناطق معينة، مما أدى إلى إنشاء مجموعات كثيفة. ومن المثير للاهتمام أن الباحثين وجدوا أن التغيرات في مستويات بروتين الخلايا كانت تعمل في الواقع ضد تشكل النمط، حيث تسببت في تعطيل التصميم قليلاً، لكن هذا التأثير السلبي طغت عليه القوة الهائلة لانقسام الخلايا.

تكمن قوة هذا النهج الجديد في بساطته وعدم انحيازه. فهو لا يتطلب من العلماء افتراض آلية معينة للعمل قبل البدء. إنه يعامل الخلايا كأجسام هندسية تتحرك في الفضاء ويتساءل سؤالاً بسيطاً: ماذا تفعل الخلية الآن والذي يغير الصورة العامة؟ ومن خلال تفكيك الرقصة المعقدة للتطور إلى مساهمات متميزة وقابلة للقياس، تكشف الطريقة أن الإجابة ليست هي نفسها دائماً. ففي أجنة الفئران، الحركة هي المفتاح؛ وفي خلايا السرطان، الانقسام هو المفتاح. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يخبر علماء الأحياء بالضبط أين ينبغي لهم البحث عن الخطوة التالية في أبحاثهم. فإذا كان النمط مدفوعاً بالحركة، فعلى الباحثين دراسة القوى الميكانيكية بين الخلايا. وإذا كان مدفوعاً بالانقسام، فعليهم البحث في الإشارات التي تتحكم في دورة الخلية.

يمثل هذا العمل تحولاً من العلم القائم على الفرضيات إلى الاكتشاف القائم على البيانات. لسنوات، ظل المجال يحاول ملاءمة الملاحظات مع النماذج الموجودة مسبقاً. تتيح هذه الأداة الجديدة للبيانات أن تتحدث عن نفسها، حيث تقيس مساهمة كل عملية خلوية دون الحاجة لمعرفة قواعد اللعبة مسبقاً. إنها توفر خريطة واضحة وغير منحازة لكيفية تنظيم الحياة لنفسها، وتظهر أن الطريق نحو النمط يمكن أن يكون ممهداً بالحركة، أو بالانقسام، أو بمزيج من كليهما، اعتماداً كلياً على السياق البيولوجي المحدد. ومع استمرار تحسن تكنولوجيا التصوير، مما يسمح للعلماء بتتبع الخلايا في ثلاثة أبعاد وفي الوقت الفعلي، من المرجح أن يصبح هذا النوع من التحليل الهندسي طريقة قياسية لفهم الآليات الخفية للحياة، من المراحل الأولى للجنين إلى تطور المرض.