来自欧洲分子生物学实验室，加拿大麦吉尔大学的研究人员发表了题为“Scaling of embryonic patterning based on phase-gradient encoding”的文章，解释了发育过程中，生物如何维持身体比例这个有趣的问题，研究人员提出了一种新模型，这种模型不同于之前的“时钟和波前像差”模型，认为胚胎利用振荡性（周期性）基因活性来维持其比例，这种周期性基因活性对胚胎总体大小做出反应，反过来又控制胚胎结构的形成。这一相关成果公布在1月Nature杂志上。
发育中的生物机体面临着一种主要问题，那就是如何调整其身体比例，但是如何能“测量”组织大小呢？而且又是如何能将总体大小的信息传递给局部每个细胞的呢？
尽管多年来科学家们对于这些问题十分感兴趣，但是目前关于尺寸的机械机理了解的还十分少。这篇文章在一种模拟脊椎动物胚胎早期分节的组织培养模型中发现了比例缩放，这种二维模型的简单性，以及能实时进行观察和操作的特性，都为研究脊椎动物分节打开了一扇新的窗口。
脊椎动物的组织分部是在早期胚胎发育过程中进行的，虽然物种间分部相差较大，但是同一物种的差别却很小，这项由由发育生物学家Jonathan Cooke领导完成的开创性研究发展了一种新模型，在培养皿中体外培养中胚层细胞，从中可以观察到中胚层模式形成，以及体节形成，比例缩放。
根据这一模型，研究人员发现某个时间上，体节形成位置是由分子浓度梯度决定的，这一梯度是根据距离后极（posterior pole）的固定距离定义的，而且随着胚胎延长，朝着后极预定体节中胚层PSM向后移动。与此同时，组织间基因表达的细胞自身振荡，也决定了分节形成的时间。这整个过程是根据由前向后的方向连续形成的。
也就是说，胚胎利用振荡性（周期性）基因活性来维持其比例，这种周期性基因活性对胚胎总体大小做出反应，反过来又控制胚胎结构的形成。对于完整胚胎而言，振荡在相邻细胞间是同步的，而这也许是通过Notch信号途径的活性完成的。基因表达的振荡频率降低了前PSM的推进，因此前细胞会比后细胞晚一些达到最大信号活性，由此Notch活性模式似乎能从后PSM传递到前PSM。这也是这一模型不同于之前的“时钟和波前像差”模型之处。
体节形成是一个重要的模式脊椎动物发育生物学的形成过程中。从实验，理论和计算生物学家，这一现象已得到了广泛的关注。已经提出了许多数学模型的过程中，在过去的十年里上升到突出的时钟和波前像差机制。
此前曾提出过两个体节形成多细胞的数学模型。第一个是现象学相振子模型再现的时钟和波前像差方面的体节形成，但缺乏生物学的基础。第二是生物知情的时滞微分方程模型的钟波，协调振荡在许多细胞中的基因表达。谨慎和有效的模型结构，参数估计和模型验证，识别重要的遗传控制电路中的非线性机制体节发育时钟。特别是，分级管理结合差分衰减时钟蛋白单体及二聚体的蛋白质被发现是一个重要的机制减缓振荡和产生基因表达的实验观察到的波。(生物谷Bioon.com)
doi:10.1038/nature11804
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Scaling of embryonic patterning based on phase-gradient encoding
Volker M. Lauschke, Charisios D. Tsiairis, Paul François & Alexander Aulehla
A fundamental feature of embryonic patterning is the ability to scale and maintain stable proportions despite changes in overall size, for instance during growth1, 2, 3, 4, 5, 6. A notable example occurs during vertebrate segment formation: after experimental reduction of embryo size, segments form proportionally smaller, and consequently, a normal number of segments is formed1, 7, 8. Despite decades of experimental1, 7 and theoretical work9, 10, 11, the underlying mechanism remains unknown. More recently, ultradian oscillations in gene activity have been linked to the temporal control of segmentation12; however, their implication in scaling remains elusive. Here we show that scaling of gene oscillation dynamics underlies segment scaling. To this end, we develop a new experimental model, an ex vivo primary cell culture assay that recapitulates mouse mesoderm patterning and segment scaling, in a quasi-monolayer of presomitic mesoderm cells (hereafter termed monolayer PSM or mPSM). Combined with real-time imaging of gene activity, this enabled us to quantify the gradual shift in the oscillation phase and thus determine the resulting phase gradient across the mPSM. Crucially, we show that this phase gradient scales by maintaining a fixed amplitude across mPSM of different lengths. We identify the slope of this phase gradient as a single predictive parameter for segment size, which functions in a size- and temperature-independent manner, revealing a hitherto unrecognized mechanism for scaling. Notably, in contrast to molecular gradients, a phase gradient describes the distribution of a dynamical cellular state. Thus, our phase-gradient scaling findings reveal a new level of dynamic information-processing, and provide evidence for the concept of phase-gradient encoding during embryonic patterning and scaling.
