Reverse engineering morphogenesis

逆向工程形态发生

基本信息

  • 批准号:
    EP/W023865/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 66.11万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2022 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

How does the shape and structure of a tissue arise during the development of an organism? This process, which is termed morphogenesis, involves the cells within a forming tissue moving and reconfiguring themselves in a coordinated manner. This choreography is self-organised. There is no central conductor. Instead, the morphogenesis depends on interactions and communication between the individual cells in the tissue. Understanding how this works remains one of the great challenges of science. How do complex tissue shapes arise just from interactions between individual cells? What explains the reliability of morphogenesis? How do mechanics and changes in gene activity interact with one another?Self-organisation necessitates an initial event that causes changes in the activity of specific genes in a subpopulation of the cells as they become a new cell type (they differentiate). This results in changes in the mechanics of these cells and precipitates a change in the shape of the tissue. The process then iterates. As new contacts form between cells of different type, as some cells lose contact with each other, and as new signals and mechanical interactions are produced, further rounds of organisation take place. Thus, understanding shape acquisition lies at the interface between physics and biology as it involves cycles of changes in mechanics and gene expression that feed back across multiple length and time scales.The challenges are: i) we do not know where and when changes in mechanics and gene expression occur; ii) we do not know how changes in the mechanics of individual cells add up to change the shape of the tissue; and iii) in turn, we do not know how changes in cell mechanics and shape influence gene expression to set up the next round of shape change. Our vision is to integrate physics and biological perspectives to develop an understanding of how cycles of gene expression and mechanical changes give rise to complex shape in tissues and organs over a duration of several days. We propose to determine how cell differentiation and cellular-scale mechanical changes interplay to control the acquisition of shape in an experimental model of tissue development, known as organoids. These are generated in vitro from embryonic stem cells grown in Petri dishes in defined conditions. This is an attractive system as organoids reproducibly produce defined cell types and undergo characteristic morphogenesis but remain sufficiently simple to explore cell morphology, mechanics, differentiation and gene expression with high spatial and temporal accuracy. In this project, we will use a combination of experimental assays to characterise tissue shape, cell morphology, cell differentiation, and gene expression in organoids and determine how mechanics, cell adhesion, and gene expression feed back onto one another. Using these data will determine rules linking differentiation to mechanics and mechanics to cell type. From this, we will develop computer models based on the experimental observations. We will use the models to identify underlying principles of tissue morphogenesis. And with these models, we will make predictions of organoid shape evolution in response to specific interventions and test these experimentally. Our team is ideally placed to answer these questions because of our combined expertise in spinal cord organoids and developmental biology (James Briscoe), cell and tissue mechanics (Guillaume Charras), and quantitative imaging, modelling, and theory (Tim Saunders). Beyond fundamental science, developing multi-scale simulations of tissue shape acquisition in a simplified model system will provide a foundation for understanding complex tissues comprising multiple and evolving cell types. This will have applications in disease modelling, regenerative medicine, synthetic biology and tissue engineering.
在生物体的发育过程中,组织的形状和结构是如何形成的?这一过程被称为形态发生,涉及形成组织内的细胞以协调的方式移动和重新配置。这种舞蹈是自我组织的。没有中心导体。相反,形态发生取决于组织中单个细胞之间的相互作用和通信。理解这是如何工作的仍然是科学的最大挑战之一。复杂的组织形状是如何仅仅由单个细胞之间的相互作用产生的?如何解释形态发生的可靠性?基因活动的机制和变化是如何相互作用的?自组织需要一个初始事件,当细胞亚群成为一种新的细胞类型(它们分化)时,该事件会导致细胞亚群中特定基因的活性发生变化。这导致这些细胞的力学变化,并促使组织形状发生变化。然后,该过程迭代。当不同类型的细胞之间形成新的联系时,当一些细胞彼此失去联系时,当新的信号和机械相互作用产生时,组织的进一步循环就会发生。因此,理解形状获取位于物理学和生物学之间的界面,因为它涉及力学和基因表达变化的周期,这些变化在多个长度和时间尺度上反馈。挑战是:i)我们不知道力学和基因表达的变化在何时何地发生; ii)我们不知道单个细胞力学的变化如何加起来改变组织的形状; iii)我们不知道细胞的结构如何改变组织的形状。和iii)反过来,我们不知道细胞力学和形状的变化如何影响基因表达以建立下一轮形状变化。我们的愿景是整合物理学和生物学的观点,以了解基因表达和机械变化的周期如何在几天内产生组织和器官的复杂形状。我们建议确定细胞分化和细胞尺度的机械变化如何相互作用,以控制组织发育实验模型(称为类器官)中形状的获得。这些是在体外由在限定条件下培养在培养皿中的胚胎干细胞产生的。这是一个有吸引力的系统,因为类器官可重复地产生确定的细胞类型并经历特征性形态发生,但仍然足够简单,可以以高的空间和时间精度探索细胞形态、力学、分化和基因表达。在这个项目中,我们将使用实验分析的组合来验证组织形状,细胞形态,细胞分化和类器官中的基因表达,并确定力学,细胞粘附和基因表达如何相互反馈。使用这些数据将确定将分化与力学和力学与细胞类型联系起来的规则。由此,我们将根据实验观察开发计算机模型。我们将使用这些模型来确定组织形态发生的基本原则。有了这些模型,我们将预测类器官形状的演变,以响应特定的干预措施,并通过实验进行测试。我们的团队非常适合回答这些问题,因为我们在脊髓类器官和发育生物学(James Brackcoe),细胞和组织力学(Guillaume Charras)以及定量成像,建模和理论(Tim Saunders)方面的综合专业知识。除了基础科学,在简化的模型系统中开发组织形状采集的多尺度模拟将为理解包括多种和不断变化的细胞类型的复杂组织提供基础。这将在疾病建模、再生医学、合成生物学和组织工程中得到应用。

项目成果

期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ journalArticles.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ monograph.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ sciAawards.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ conferencePapers.updateTime }}

{{ item.title }}
  • 作者:
    {{ item.author }}

数据更新时间:{{ patent.updateTime }}

Guillaume Charras其他文献

Liquid crystals in living tissue
活体组织中的液晶
  • DOI:
    10.1038/544164a
  • 发表时间:
    2017-04-13
  • 期刊:
  • 影响因子:
    48.500
  • 作者:
    Linda S. Hirst;Guillaume Charras
  • 通讯作者:
    Guillaume Charras
Blebs lead the way: how to migrate without lamellipodia
小泡引领道路:如何在没有片足的情况下迁移
Frictiotaxis underlies focal adhesion-independent durotaxis
摩擦趋性是不依赖粘着斑的硬度趋性的基础
  • DOI:
    10.1038/s41467-025-58912-1
  • 发表时间:
    2025-04-23
  • 期刊:
  • 影响因子:
    15.700
  • 作者:
    Adam Shellard;Kai Weißenbruch;Peter A. E. Hampshire;Namid R. Stillman;Christina L. Dix;Richard Thorogate;Albane Imbert;Guillaume Charras;Ricard Alert;Roberto Mayor
  • 通讯作者:
    Roberto Mayor
The Effect of Aperture Size on Gigaseal Formation
  • DOI:
    10.1016/j.bpj.2012.11.3716
  • 发表时间:
    2013-01-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
  • 作者:
    Majid Malboubi;Mohammad Behroozi;James Bowen;Mahmoud Chizari;Guillaume Charras;Kyle Jiang
  • 通讯作者:
    Kyle Jiang
Physical influences of the extracellular environment on cell migration
细胞外环境对细胞迁移的物理影响

Guillaume Charras的其他文献

{{ item.title }}
{{ item.translation_title }}
  • DOI:
    {{ item.doi }}
  • 发表时间:
    {{ item.publish_year }}
  • 期刊:
  • 影响因子:
    {{ item.factor }}
  • 作者:
    {{ item.authors }}
  • 通讯作者:
    {{ item.author }}

{{ truncateString('Guillaume Charras', 18)}}的其他基金

21ENGBIO A versatile optogenetic toolbox to control cell mechanics for cell and tissue morphogenesis
21ENGBIO 多功能光遗传学工具箱,用于控制细胞和组织形态发生的细胞力学
  • 批准号:
    BB/W011123/1
  • 财政年份:
    2023
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Early-stage embryo as an active self-tuning soft material
作为主动自调节软材料的早期胚胎
  • 批准号:
    EP/W023806/1
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Dissecting the role of SPIN90 in cellular morphogenesis
剖析 SPIN90 在细胞形态发生中的作用
  • 批准号:
    BB/V007483/1
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
High-speed High-throughput AFM For Cell And Developmental Biology
适用于细胞和发育生物学的高速高通量 AFM
  • 批准号:
    BB/R000042/1
  • 财政年份:
    2017
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
The mechanics of epithelial tissues
上皮组织的力学
  • 批准号:
    BB/M003280/1
  • 财政年份:
    2015
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
A novel experimental tool to investigate the mechanics of cell monolayers at tissue, cellular, and subcellular scales
一种新的实验工具,用于研究组织、细胞和亚细胞尺度的细胞单层力学
  • 批准号:
    BB/K013521/1
  • 财政年份:
    2013
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Molecular and biophysical investigation of epithelial cell sheet invagination
上皮细胞片内陷的分子和生物物理研究
  • 批准号:
    BB/F019769/1
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Neutrophil polarisation
中性粒细胞极化
  • 批准号:
    BB/F021402/1
  • 财政年份:
    2008
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant

相似国自然基金

软骨调节素调控BMSCs骨和软骨双向分化平衡的研究
  • 批准号:
    81272128
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    70.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Frontiers of Environmental Science & Engineering
  • 批准号:
    51224004
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
Chinese Journal of Chemical Engineering
  • 批准号:
    21224004
  • 批准年份:
    2012
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
基于脂肪干细胞的同种异体肌腱缺损修复及机制
  • 批准号:
    81101359
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    22.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
Chinese Journal of Chemical Engineering
  • 批准号:
    21024805
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    专项基金项目
脂肪来源干细胞诱导尿路上皮细胞及其机制的研究
  • 批准号:
    81070605
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    30.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Ihh在组织工程骨构建中作用和机制研究
  • 批准号:
    30973069
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    34.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
Leydig干细胞纯化、扩增及雄激素分泌组织构建
  • 批准号:
    30970736
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    30.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
预构血管化支架以构建大体积岛状组织工程化脂肪瓣的实验研究
  • 批准号:
    30901566
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    19.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
人脐血间充质干细胞成骨潜能亚群的特异性分子标志
  • 批准号:
    30800232
  • 批准年份:
    2008
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似海外基金

Reverse Engineering Morphogenesis
逆向工程形态发生
  • 批准号:
    EP/W023075/1
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Reverse engineering morphogenesis
逆向工程形态发生
  • 批准号:
    EP/W023296/1
  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
    Research Grant
Reverse Engineering the Alveolus: From cellular to microenvironment specification during development
对肺泡进行逆向工程:从开发过程中的细胞规范到微环境规范
  • 批准号:
    10215602
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Forward and Reverse Genetic Studies of AIS and Spine Development in Zebrafish
斑马鱼 AIS 和脊柱发育的正向和反向遗传学研究
  • 批准号:
    10458401
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Reverse Engineering the Alveolus: From cellular to microenvironment specification during development
对肺泡进行逆向工程:从开发过程中的细胞规范到微环境规范
  • 批准号:
    9223730
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Forward and Reverse Genetic Studies of AIS and Spine Development in Zebrafish
斑马鱼 AIS 和脊柱发育的正向和反向遗传学研究
  • 批准号:
    10646387
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Reverse Genetic Screening for Vascular Mutants Using Zinc Finger Nucleases
使用锌指核酸酶对血管突变体进行反向基因筛查
  • 批准号:
    8287612
  • 财政年份:
    2004
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Reverse Genetic Screening for Vascular Mutants Using Zinc Finger Nucleases
使用锌指核酸酶对血管突变体进行反向基因筛查
  • 批准号:
    7940512
  • 财政年份:
    2004
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Reverse Genetic Screening for Vascular Mutants Using Zinc Finger Nucleases
使用锌指核酸酶对血管突变体进行反向基因筛查
  • 批准号:
    8488462
  • 财政年份:
    2004
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
Evolving understanding of HIV-1 reverse transcriptase structure, function, and inhibition.
对 HIV-1 逆转录酶结构、功能和抑制的理解不断发展。
  • 批准号:
    9927362
  • 财政年份:
    1988
  • 资助金额:
    $ 66.11万
  • 项目类别:
{{ showInfoDetail.title }}

作者:{{ showInfoDetail.author }}

知道了