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PDF, English Download (93MB) | Lizenz: Entrainment of coupled, phase-shifted signaling oscillations in the presomitic mesoderm by Sanchez, Paul Gerald Layague underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

Abstract

Synchronization is everywhere in nature. It is an emergent property arising in systems of interacting oscillatory entities, regardless if these entities are physical (e.g. in an electrical circuit) or biological (e.g. a group of fireflies). In vertebrate embryos, synchronization of intracellular signaling oscillations regulates the precise and periodic formation of somites, the precursors of vertebrae. In this system, oscillations are coordinated between neighbors via intercellular coupling, and such coordination results in a phase shift between oscillations, giving the impression of a spatiotemporal wave pattern travelling through the presomitic mesoderm (PSM) from posterior to anterior. Where this wave arrests at the anterior PSM, a new somite forms. The timing of such an event is mediated by the segmentation clock, an elaborate molecular signaling network between Notch, Wnt, and FGF signaling.

While there are numerous studies focusing on the molecular details underlying such spatiotemporal regulation from the bottom-up, research delving into (1) the nature and mechanism of its synchronization and (2) its impact on tissue patterning during embryogenesis remains limited. To address this, we thus instead focus on a principles-based, top-down, approach. Accordingly, we recently developed a microfluidics-based experimental platform allowing entrainment of the signaling oscillations in the PSM to periodic pulses of signaling modulators, leveraging fundamental entrainment principles that have also been studied in other complex physical and biological oscillatory systems (e.g. the circadian clock).

In this current research, we use such experimental platform to map Arnold tongues, to systematically control both the period and the phase of oscillations in the PSM, and to precisely modulate the segmentation clock. We report how the systems-level entrainment behavior of oscillations in an embryonic tissue follows dynamical systems theory, despite its complexity. Furthermore, we uncover- and elaborate on a peculiar behavior in our system (i.e. emergence of a period gradient even upon tissue-level entrainment), providing insight into the nature of the underlying oscillatory network in the PSM. This finding has enabled us to generate testable hypotheses about the importance of the period gradient for the processing of spatiotemporal cues and proper tissue patterning. Moreover, experiments with intact embryonic tissue have allowed us to link modulation of the segmentation clock and its consequences on patterning of the PSM. We specifically record observations in apparent contradiction with traditional interpretations of a well-known model of periodic patterning during somitogenesis (i.e. the classical clock and wavefront model). Our observations instead support the proposition that the oscillatory dynamics encode both the timing and spacing of somite formation.

More generally, we here highlight the power of our experimental approach to precisely control the period and phase of a complex spatially-extended system of coupled and phase-shifted oscillations in an embryonic tissue, which had not been possible before using genetics and pharmacological intervention. We hope this research provides further experimental evidence of the universality of fundamental entrainment principles, and offers an alternative top-down approach to the study of synchronization of biological oscillations in embryonic development.

Translation of abstract (German)

Synchronisation ist überall in der Natur zu finden. Es ist eine emergente Eigenschaft, die in Systemen interagierender, oszillierender Einheiten auftritt, unabhängig davon, ob diese Einheiten physikalisch (z.B. in einem Stromkreis) oder biologisch (z.B. in einer Gruppe von Leuchtkäfern) sind. Bei Wirbeltierembryonen reguliert die Synchronisation intrazellulärer Signalschwingungen die präzise und periodische Bildung von Somiten, den Vorläufern von Wirbeln. In diesem System werden Oszillationen über interzelluläre Kopplung zwischen Nachbarzellen koordiniert; diese Koordination führt zu einer Phasenverschiebung zwischen Oszillationen, was den Eindruck eines raumzeitlichen Wellenmusters ergibt, welches sich durch das präsomitische Mesoderm (PSM) von posterior nach anterior fortbewegt. Wo diese Welle am anterior PSM anhält, bildet sich ein neuer Somit. Die Zeiteinteilung eines solchen Ereignisses wird durch die Segmentierungsuhr bestimmt, ein ausgeklügeltes molekulares Signalnetzwerk zwischen Notch-, Wnt- und FGF-Signalen.

Während es zahlreiche Studien gibt, die sich auf die molekularen Details einer solchen raumzeitlichen Regulation im Bottom-Up Prinzip konzentrieren, ist die bisherige Forschung über (1) die Art und den Mechanismus der Synchronisation und (2) deren Auswirkung auf die Gewebestrukturierung während der Embryogenese begrenzt. Um dies zu adressieren, konzentrieren wir uns stattdessen auf einen prinzipienbasierten Top-Down-Ansatz. Dementsprechend haben wir kürzlich eine auf Mikrofluidik basierende, experimentelle Plattform entwickelt, die das Entrainment der Signalschwingungen im PSM mit periodischen Impulsen von Signalmodulatoren ermöglicht und dabei grundlegende Entrainmentprinzipien nutzt, die auch in anderen komplexen physikalischen und biologischen Schwingungssystemen (z. B. in der circadianen Uhr) untersucht wurden.

In dieser Forschungsarbeit verwenden wir solche experimentelle Plattform um Arnold-Zungen abzubilden, und dadurch sowohl die Periode als auch die Phase der Schwingungen im PSM systematisch zu steuern und die Segmentierungsuhr präzise zu modulieren. Wir zeigen auf, wie in einem embryonalen Gewebe das Systemebene Entrainment von Schwingungen trotz seiner Komplexität der Theorie dynamischer Systeme folgt. Darüber hinaus enthüllen und präzisieren wir ein besonderes Verhalten in unserem System (d.h. das Auftreten eines Periodengradienten selbst bei Entrainment auf Gewebeebene), wodurch wir Einblick in die Natur des zugrunde liegenden Oszillationsnetzwerks im PSM erhalten. Diese Entdeckung hat es uns ermöglicht, überprüfbare Hypothesen über die Bedeutung des Periodengradienten für die Verarbeitung raumzeitlicher Signale und richtige Gewebestrukturierung aufzustellen. Darüber hinaus haben Experimente mit intaktem embryonalem Gewebe es uns ermöglicht, die Modulation der Segmentierungsuhr und ihre Konsequenzen für die Strukturierung des PSM zu verknüpfen. Spezifisch erfassen wir Beobachtungen, die in scheinbarem Gegensatz zu klassischen Interpretationen eines wohlbekannten Modells der periodischen Strukturierung während der Somitogenese (d.h. des klassischen "Clock and Wavefront" Modells) stehen. Unsere Beobachtungen unterstützen hingegen das Argument, dass die Schwingungsdynamik sowohl den zeitlichen als auch den räumlichen Aspekt der Somitenbildung codiert.

Im Allgemeinen betonen wir hier die Fähigkeit unseres experimentellen Ansatzes, die Periode und Phase eines komplexen, räumlich ausgedehnten Systems gekoppelter und phasenverschobener Schwingungen in einem embryonalen Gewebe präzise zu steuern, was zuvor mit Genetik und pharmakologischer Intervention nicht möglich war. Wir hoffen, dass diese Forschung weitere experimentelle Beweise für die Universalität grundlegender Entrainmentprinzipien liefert und einen alternativen Top-Down-Ansatz zur Untersuchung der Synchronisation biologischer Schwingungen in der Embryonalentwicklung bietet.