Mechanisms and developmental functions of cytoplasmic flows in early embryogenesis

早期胚胎发生中细胞质流动的机制和发育功能

基本信息

  • 批准号:
    10491186
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.89万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-20 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract  The  integration  of  biochemical  and  mechanical  signals  is  an  important  and  ubiquitous  feature  of  biological  systems.  During  embryonic  development,  this  integration  is  required  for  complex  tissue  organization  and  function. We have recently shown that during the early, pre-­blastoderm stages of Drosophila embryogenesis the  integrated activities of the cell cycle oscillator and actomyosin contractility generate a self-­organized mechanism  of nuclear positioning which is essential for synchronization of the cell cycle. At the core of this mechanism are  cytoplasmic  flows  that  are  initiated  by  cortical  contractions.  These,  in  turn,  are  linked  spatiotemporally  to  the  oscillation of mitotic Cyclin-­dependent kinase 1 (Cdk1) and protein phosphatase 1 (PP1). These flows are able  to transport nuclei and are responsible for their accurate positioning across the embryo. The goal of this proposal  is to build on these novel findings and to understand more deeply the mechanisms and developmental functions  of cytoplasmic flows. We will take three approaches to address these fundamental questions. 1. We will build a  biophysical model that captures the coupling of biochemical and mechanical signals and the effective physical  properties of the cytoplasm. The coupling between the cytoskeleton and the cytosol will be modeled by a two-­ fluid model: an active contractile gel and a viscous cytosol. 2. We will use genetic and optogenetics approaches  to alter cortical contractility as well as transgenic approaches to change the geometry of the embryo and a novel  setup to control temperature. These experiments will provide a novel paradigm for understanding the molecular  mechanisms  underlying  the  generation  and  the  properties  of  cytoplasmic  flows.  3.  We  will  test  whether  cytoplasmic  flows  play  a  role  in  the  formation  of  morphogen  gradients.  Specifically,  we  will  use  quantitative  imaging and mathematical modeling to determine whether cytoplasmic flows affect the formation of the anterior-­ posterior  gradient  of  Bicoid  morphogen  in  the  syncytial  Drosophila  embryo.  Taken  together  these  studies  will  provide a new paradigm for the integration of biochemical and mechanical signals that is likely to have general  relevance for other developmental systems.
抽象的 生化和机械信号的整合是生物化学的一个重要且普遍的特征 在胚胎发育过程中,这种整合对于复杂的组织组织和发育是必需的。 我们最近表明,在果蝇胚胎发生的早期、前胚层阶段, 细胞周期振荡器和肌动球蛋白收缩性的综合活动产生自组织机制 该机制的核心是核定位。 由皮质收缩引发的细胞质流动反过来又与时空相关。 有丝分裂细胞周期蛋白依赖性激酶 1 (Cdk1) 和蛋白磷酸酶 1 (PP1) 的振荡。这些流动是能够的。 运输细胞核并负责其在胚胎中的准确定位。该提案的目标。 就是要以这些新颖的发现为基础,更深入地了解其机制和发育功能 细胞质流。我们将采取三种方法来解决这些基本问题。1.我们将建立一个 生物物理模型,捕获生化和机械信号的耦合以及有效的物理信号 细胞质的特性将通过二元模型来模拟。 流体模型:活性收缩凝胶和粘性细胞质。2.我们将使用遗传和光遗传学方法 改变皮质收缩性以及改变胚胎几何形状的转基因方法和一种新颖的方法 这些实验将为理解分子提供一个新的范例。 细胞质流的产生和特性的机制 3. 我们将测试是否。 具体而言,细胞质流在形态发生素梯度的形成中发挥作用,我们将使用定量。 成像和数学模型以确定细胞质流动是否影响前壁的形成 合胞体果蝇胚胎中 Bicoid 形态发生素的后梯度 为生化和机械信号的整合提供了一个新的范式,该范式可能具有通用性 与其他发展系统的相关性。

项目成果

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