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Quantitative analysis of Nodal/Lefty-mediated pattern formation

Description du projet

Quantification des mécanismes d’un système modèle de réaction-diffusion au cours du développement embryonnaire

La compréhension du processus d’auto-organisation au cours du développement embryonnaire, qui conduit à la conception de modèles cellulaires et de modèles de tissus, d’organes et de systèmes d’organes fonctionnels, est essentielle pour la médecine régénérative. Le schéma de réaction-diffusion est souvent utilisé pour expliquer ce phénomène. Il postule que des modèles émergent au cours du développement, modulés par des activateurs peu diffusifs et des inhibiteurs très diffusifs. S’appuyant sur la découverte récente de preuves de la diffusivité différentielle de l’activateur Nodal et de son inhibiteur Lefty dans les embryons de poisson zèbre, le projet QUANTPATTERN, financé par le Conseil européen de la recherche, étudiera, par le biais de l’expérimentation et de la modélisation, les causes de la diffusivité différentielle des protéines, la manière dont les systèmes de réaction-diffusion s’adaptent à la taille de l’embryon et comment les systèmes de réaction-diffusion s’auto-organisent.

Objectif

How an initially homogenous population of cells self-organizes to form patterned embryos and tissues is a long-standing mystery in the field of developmental biology. Understanding such self-organizing processes is of central importance for regenerative medicine and would inform approaches to transform embryonic stem cells into complex multicellular structures for human tissue replacement. The influential reaction-diffusion model postulates that patterns emerge during development under the influence of poorly diffusive activators and highly diffusive inhibitors, and we have recently found biophysical evidence supporting the differential diffusivity of the activator Nodal and its inhibitor Lefty in zebrafish embryos. While we have begun to define the Nodal/Lefty activator-inhibitor pair as a reaction-diffusion system that can transform a uniform field of cells into an embryo, three important questions remain: First, how is the differential diffusivity of activators and inhibitors achieved in living embryos? The molecular weights of activator and inhibitor proteins are too similar to explain the difference in diffusivities. Second, how do reaction-diffusion systems adapt to tissue size? Embryos can vary considerably in size, but the proportions of their body plans are remarkably constant. How reaction-diffusion systems mediate this scale-invariant patterning in vivo is unknown. Third, how do reaction-diffusion systems self-organize? Embryos are often born with maternally provided prepatterns, and it is unknown whether reaction-diffusion systems also form relevant patterns in the absence of such prepatterns. We will address these questions in zebrafish and mouse embryonic stem cells by combining innovative quantitative experimentation and mathematical modeling. This high-risk/high-gain approach will allow us to unravel general principles underlying self-organizing processes and will inform new strategies for human tissue engineering from embryonic stem cells.

Régime de financement

ERC-STG - Starting Grant

Institution d’accueil

MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FORDERUNG DER WISSENSCHAFTEN EV
Contribution nette de l'UE
€ 1 499 750,00
Adresse
HOFGARTENSTRASSE 8
80539 Munchen
Allemagne

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Région
Bayern Oberbayern München, Kreisfreie Stadt
Type d’activité
Research Organisations
Liens
Coût total
€ 1 499 750,00

Bénéficiaires (1)