Universal dynamics of biological pattern formation in spatio-temporal morphogen variations
Universal dynamics of biological pattern formation in spatio-temporal morphogen variations
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时空形态发生素变化中生物模式形成的普遍动力学
DOI：
10.1101/2022.03.18.484904
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Dalwadi M
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Dalwadi M
生物模式形成系统的一般特征已经被发现，这些特征促进了系统组件中不同细胞或群体之间的变化的鲁棒性，例如蛋白质生产速率和基因调控网络架构。相比之下，较少了解这些系统如何在时间尺度上响应于个体细胞或群体内形态原浓度的时空变化，其速度快于或类似于生长。在这里，我们制定和应用生物模式形成的一般理论，在时空变化的浓度的“预图案化”形态，确定系统参数。我们的分析结果揭示了生物模式形成系统的普遍动力学机制，并量化了每个机制中的动力学如何依赖于相关基因调控网络的数学性质。通过应用我们的理论，我们预测，两个范式模式形成系统是强大的时空形态发生变化的速度比增长的时间尺度。更广泛地说，我们预测的动态图案形成系统的时空变化的参数可以分类的基础上，在其控制方程的分叉。
Generic features of biological pattern-forming systems have been uncovered that promote robustness with respect to variations between different cells or populations in system components, such as protein production rates and gene-regulatory network architecture. By contrast, less is understood about how such systems respond to spatio-temporal changes in morphogen concentrations within individual cells or populations over timescales faster than or similar to growth. Here, we formulate and apply a general theory of biological pattern formation in spatio-temporally varying concentrations of “pre-patterning” morphogens, which determine system parameters. Our analytical results reveal universal dynamical regimes of biological pattern-forming systems, and quantify how the dynamics in each regime depend on the mathematical properties of the relevant gene-regulatory network. By applying our theory, we predict that two paradigmatic pattern-forming systems are robust with respect to spatio-temporal morphogen variations that happen faster than growth timescales. More broadly, we predict that the dynamics of pattern-forming systems with spatio-temporally varying parameters can be classified based on the bifurcations in their governing equations.
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