Как появляются полосы у рыбок данио? Новый инструмент анализа данных может дать ответ
Иконографические полосы рыбок данио — классический пример естественной самоорганизации. По мере развития эмбрионов три типа пигментных клеток перемещаются в коже, в итоге выстраиваясь в позиции, формирующие тянущиеся вдоль тела жёлтые и синие полосы.
Учёные хотят понять генетические правила, управляющие этим тонким танцем. Новый алгоритм, разработанный математиками Университета Брауна, может в этом помочь. Алгоритм, описанный на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, способен количественно оценивать различные атрибуты форм и паттернов, позволяя учёным более объективно проверять гипотезы о том, как формируются полосы данио — и, потенциально, другие паттерны развития.
«Главная цель изучения полос данио — понять раннее развитие организмов: как гены экспрессируются для формирования структур и фенотипов», — сказал Бьорн Сандстеде, профессор отделения прикладной математики Университета Брауна и старший автор исследования.
О полосах и пятнах
Данио оказались отличными модельными организмами для оценки влияния генетических изменений на формирование паттернов. Их эмбрионы прозрачны и развиваются быстро, что позволяет изучать развитие полос в деталях. За годы исследований были обнаружены генетические мутации, изменяющие пигментные паттерны: одни влияют на прямолинейность полос, другие создают разрывы в них, третьи формируют пятна вместо полос. Эти мутации помогают понять правила, управляющие формированием полос.
Разные паттерны — результат изменений во взаимодействии и движении типов пигментных клеток во время развития. Чтобы понять эти правила, учёные создали компьютерные модели, симулирующие движение клеток и формирование паттернов. Меняя правила в симуляции и сравнивая результат с паттернами реальных рыб, можно определить, какие правила важны.
Сандстеде и Александрия Волкенинг ранее разработали такую симуляцию, которая дала новые данные о формировании полос. Новый алгоритм, соавтором которого является Волкенинг, предоставляет новый способ оценки эффективности этой и других моделей.
Форма данных
Новый алгоритм использует метод топологического анализа данных.
«Это более новая область математики и статистики, фокусирующаяся на количественной оценке формы», — сказала Мелисса МакГёрл, аспирантка Университета Брауна и ведущий автор исследования. «По сути, это инструмент, позволяющий отслеживать связанные компоненты и петли, соответствующие особенностям формы, представляющим пятна или полосы».
В данном случае эти связанные компоненты состоят из отдельных пигментных клеток на изображениях данио или в симуляциях развития их полос. Алгоритм оценивает, насколько положение каждой клетки коррелирует с другими, и, следовательно, являются ли клетки частью элемента паттерна — полосы, пятна или чего-то ещё. Преимущество метода в том, что он может количественно оценивать паттерны в широком спектре пространственных масштабов — от масштаба нескольких отдельных клеток до целой рыбы.
«Мы можем определить набор дескрипторов, позволяющих говорить о том, насколько прямые или изогнутые полосы, сколько в них разрывов или каково среднее расстояние между клетками», — сказал Сандстеде. «Если есть пятна, сколько клеток в каждом? Они круглые или более вытянутые?»
Обладая этими более объективными количественными характеристиками, исследователи могут лучше оценивать, насколько точно их модель и другие модели отражают динамику формирования паттернов у данио. Это может привести к ключевым открытиям о том, как генетические инструкции проявляются в естественных структурах.
Техника не ограничивается только данио, отметил Сандстеде.
«Она гораздо более универсальна, чем просто пигментные клетки данио. Она предназначена для количественной оценки паттернов и форм и может работать с любыми системами».