The Birth of Morphomechanics

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

At the early 1970s, in the USSR, L.V. Beloussov and his colleagues from Moscow State University put forward a hypothesis about the possible role of mechanical forces and stresses in the organization of developing living systems. The authors discovered stage-specific patterns of mechanical stresses during amphibian embryonic development and showed that mechanical stresses are necessary for the organization of morphogenesis and cellular differentiation. As a result of the long-term work of Moscow embryologists, morphomechanics, new interdisciplinary science at the intersection of developmental biology and mechanics, was born. In the XXI century, mechanisms of mechano-dependent gene expression, cellular and nuclear mechanotransduction are intensively studied. The idea of the organizing role of mechanical forces and stresses in living systems remains very relevant.

作者简介

A. Ermakov

Moscow State University, Faculty of Biology, Department of Embryology; Institute of Developmental Biology of the Russian Academy of Sciences, Scientific and Organizational Departmen; Skryabin Institute of Bioengineering, The group of RNA epigenetics and mechanisms of genomic stability

编辑信件的主要联系方式.
Email: ermakov99@mail.ru
Russia, 119991, Moscow, Leninskie Gory, d. 1, str. 12; Russia, 119334, Moscow, ul. Vavilova, 26; Russia, 117312, Moscow, pr. 60-letiya Oktyabrya, 7/1

参考

  1. Белоусов Л.В. Основы общей эмбриологии. М.: Издательство Московского Государственного Университета: Наука, 2005. 368 с.
  2. Белоусов Л.В., Дорфман Я.Г., Черданцев В.Г. Быстрые изменения формы и клеточной архитектуры изолированных фрагментов эмбриональных тканей амфибий как экспериментальная модель морфогенеза // Онтогенез. 1974. Т. 5. № 4. С. 323–333.
  3. Белоусов JI.B., Лучинская Н.Н., Зарайский А.Г. Тензотаксис – коллективное движение эмбриональных клеток вверх по градиентам механических натяжений // Онтогенез. 1999. Т. 30. С. 346–352.
  4. Белоусов Л.В., Миттенталь Дж. Гипервосстановление механических напряжений как возможный движущий механизм морфогенеза // Журн. Общ. Биол. 1992. Т. 53. № 6. С. 797–807.
  5. Alonso J., Goldmann W. Cellular mechanotransduction // AIMS Biophysics. 2016. V. 3. № 1. P. 50–62.
  6. Aragona M., Panciera T., Manfrin A. et al. A mechanical checkpoint controls multicellular growth through YAP/TAZ regulation by actin-processing factors // Cell. 2013. V. 154. № 5. P. 1047–1059.
  7. Belintsev B.N., Belousov L.V., Zaraisky A.G. Model of epithelial morphogenesis based on elastic forces and cell contact polarization // Ontogenez. 1985. V. 16. № 1. P. 5–14.
  8. Belintsev B.N., Beloussov L.V., Zaraisky A.G. Model of pattern formation in epithelial morphogenesis // J Theor Biol. 1987. V 129. № 4. P. 369–394.
  9. Belousov L.V. Formation and cellular structure of the lines of tension in the axial rudimenta of amphibian embryos // Ontogenez. 1978. V. 9. № 2. P. 124–130.
  10. Beloussov L.V. Life of Alexander G. Gurwitsch and his relevant contribution to the theory of morphogenetic fields // Int. J. Dev. Biol. 1997. V. 41. № 6. P. 771–779.
  11. Beloussov L.V. Mechanically based generative laws of morphogenesis // Phys. Biol. 2008. V. 5. № 1:015009.
  12. Beloussov L.V. Self-Organization, Symmetry and Morphomechanics in Development of Organisms, pp 189–210 // in L. A.V. Pereira (ed.), Embryology – Updates and Highlights on Classic Topics. London: IntechOpen. 2012. 224 p.
  13. Beloussov L.V. Morphogenetic fields: history and relations to other concepts. pp. 271–282 // In: Fels, D., Cifra, M., Scholkmann, F. (Eds.), Fields of the Cell. Kerala, India: Research Signpost. 2015. 321 p.
  14. Belousov L.V., Dorfman I.G., Cherdantzev V.G. Mechanical stresses and morphological patterns in amphibian embryos // J. Embryol. and Exper. Morphology. 1975. V. 34. № 34. P 559–574.
  15. Belousov L.V., Dorfman I.G., Cherdantsev V.G. Patterns of mechanical stress at the successive stages of early development of frog // Ontogenez. 1976. V. 7. № 2. P. 115–122.
  16. Belousov L.V., Chernavskii D.S. Instability and stability in biological morphogenesis// Ontogenez. 1977. V. 8. № 2. P. 99–114.
  17. Beloussov L.V., Grabovsky V.I. Morphomechanics: goals, basic experiments and models // Int. J. Dev. Biol. 2006. V. 50. № 2–3. P. 81–92.
  18. Belousov L.V., Ermakov A.S. Artificially applied tensions normalize development of relaxed Xenopus Laevis embryos // Ontogenez. 2001. V. 32. № 4. P. 288–94.
  19. Beloussov L.V., Lakirev A.V., Naumidi I.I. et al. Effects of relaxation of mechanical tensions upon the early morphogenesis of Xenopus laevis embryos // Int. J. Dev Biol. 1990. V. 34. № 4. P. 409–419.
  20. Belousov L.V., Luchinskaia N.N. Intercellular relay interactions in explants of amphibian embryonic tissues. I. Intercellular relay interactions in normal explant morphogenesis // Tsitologiia. 1983. V. 25. № 8. P. 939–44.
  21. Beloussov L.V., Luchinskaia N.N. Biomechanical feedback in morphogenesis, as exemplified by stretch responses of amphibian embryonic tissues // Biochem Cell Biol. 1995. V. 73. № 7–8. P. 555–6.3
  22. Beloussov L.V., Luchinskaya N.N., Ermakov A.S. et al. Gastrulation in amphibian embryos, regarded as a succession of biomechanical feedback events // Int. J. Dev. Biol. 2006. V. 50. № 2–3. P. 113–122.
  23. Blechschmidt E., Gasser R. F. Biokinetics and biodynamics of human differentiation. Springfield Illinois: Ch. C. Thomas Publ. 1978. North Atlantic Books; Reprint edition. 2012. 312 p.
  24. Buxboim A., Discher D.E. Stem cells feel the difference // Nat Method. 2010. V. 7. P. 695–697.
  25. Brun-Usan M., Salazar-Ciudad I. The Evolution of Cleavage in Metazoans. P 529-544 // In: Nuno de la Rosa, L., Müller, G. (eds) Evolutionary Developmental Biology. Springer Cham. 2021. 1257 p.
  26. Burke A.C. Shifting the Black Box: Approaches to the Development and Evolution of the Vertebrate Mesoderm P. 833–848. // In: Nuno de la Rosa, L., Müller, G. (eds) Evolutionary Developmental Biology. Springer. Cham. 2021. 1257 p.
  27. Cherdantsev V.G. Spatial deployments of morphogenetic movements as elements of the oral field in anuran amphibians. I. Structurally stable morphogenetic movements// Ontogenez. 1977. V. 8. № 4. P. 335–347.
  28. Cherdantsev V.G., Korvin-Pavlovskaya E.G. Fluid model of epithelial morphogenesis: Oscillations and structuring. Biosystems. 2018. № 173. P. 83–99.
  29. Davidson L., von Dassow M., Zhou J. Multi-scale mechanics from molecules to morphogenesis // Int. J. Biochem. Cell Biol. V. 41. № 11. P. 2147–2162.
  30. Desprat N., Supatto W., Pouille P.A. et al. Tissue deformation modulates twist expression to determine anterior midgut differentiation in Drosophila embryos // Dev. Cell. 2008. V. 15. № 3. P. 470–477.
  31. Donnaloja F., Jacchetti E., Soncini M. et al. Mechanosensing at the Nuclear Envelope by Nuclear Pore Complex Stretch Activation and Its Effect in Physiology and Pathology // Front. in Physiol. V. 12. № 10:896.
  32. Engler A.J., Sen S., Sweeney H.L., Discher D.E. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification // Cell. 2006. V. 126. P. 677–689.
  33. Ermakov A.S. The Theory of Tensegrity and Spatial Organization of Living Matter // Russ. J. Dev. Biol. 2018a. № 49. P. 87–100.
  34. Ermakov A.S. Professor Lev Beloussov and the birth of morphomechanics // Biosystems. 2018b. № 173. P. 26–35.
  35. Ermakov A.S., Belousov L.V. Morphogenetic and differentiation sequelae to relaxation of mechanical tensions in Xenopus laevis blastula // Ontogenez 1998. V. 29. № 6. P. 450–458.
  36. Eroshkin F.M., Zaraisky A.G. Mechano-sensitive regulation of gene expression during the embryonic development. Genesis // Genesis. 2017. № 55:e23026.
  37. Farge E. Mechanical induction of Twist in the Drosophila foregut/stomodeal primordium // Curr Biol. 2003. V. 13. № 16. P. 1365–77.
  38. Gerhart J., Vincent J.-P., Scharf S. et al. Cortical-subcortical rotation in the amphibian egg. P. 245–250 // In: Satir P., Lazarides E., Condeelis J.S. (eds) Signal Transduction in Cytoplasmic Organisation and Cell Motility. N.Y.: Alan R. Liss Inc., 1988. 386 p.
  39. Gilbert S.F., Barresi M.F. Developmental Biology. 11th Edition. Oxford University Press. 2016. 500 p.
  40. Gordon R. Mechanics in embryogenesis and embryonics: prime mover or epiphenomenon // Int. J. Dev. Biol. 2006. V. 50. № 2–3. P. 245–253.
  41. Gurwitsch A.G. Die Vererbung als Verwircklichungsvorgang // Biol. Zbl. 1912. № 22. P. 458–486.
  42. Harris A.K. Behavior of cultured cells on substrata of variable adhesiveness // Exp. Cell Res. 1973. V. 77. № 1. P. 285–297.
  43. Harris A.K., Wild P., Stopak D. Silicone rubber substrata: a new wrinkle in the study of cell locomotion. Science. 1980. V. 208. № 4440. P. 177–179.
  44. Harris A.K., Stopak D., Wild D.P. Fibroblast traction as a mechanism for collagen morphogenesis // Nature. 1981. V. 290. № 5803. P. 249–251.
  45. Harris A.K., Stopak D., Warner P. Generation of spatially periodic patterns by a mechanical instability: a mechanical alternative to the Turing model // J. Embryol. Exp. Morphol. 1984. № 80. P. 1–20.
  46. Igamberdiev A.U. Hyper-restorative non-equilibrium state as a driving force of biological morphogenesis // Biosystems. 2018. № 173. P. 104–113.
  47. Igamberdiev A., Beloussov L.V., Gordon R. (eds). Biological Morphogenesis: Theory and Computation. Biosystems. 2012. V. 109. № 3. P. 241–506.
  48. Igamberdiev A., Gordon R., Cherdantsev V. et al. (eds). Computational, Theoretical, and Experimental Approaches to Morphogenesis. Biosystems. 2018. V. 173. P. 1–334
  49. Ingber D.E. Tensegrity, I. Cell structure and hierarchical systems biology // J. Cell Sci. 2003a. V. 116. Pt 7. P. 1157–1173.
  50. Ingber D.E. Tensegrity, I.I., How structural networks influence cellular information processing networks // J. Cell Sci. 2003b. V. 116. Pt 8. P. 1397–1408.
  51. Ingber D.E. Mechanobiology and diseases of mechanotransduction // Ann Med. 2003c. V. 35. № 8. P. 564–77.
  52. Ingber D.E., Di Carlo D. Interdisciplinarity and mechanobiology // iScience. 2022. V. 25. № 5. P. 104187.
  53. Keller R.E. An experimental analysis of the role of bottle cells and the deep marginal zone in gastrulation of Xenopus laevis // J. Exp. Zool. 1981. V. 216. № 1. P. 81–101.
  54. Keller R.E. The cellular basis of gastrulation in Xenopus laevis: active, postinvolution convergence and extension by mediolateral interdigitation // Amer. Zool. 1984. V. 24. № 3. P. 589–603.
  55. Keller R., Davidson L.A., Shook D.R. How we are shaped: The biomechanics of gastrulation. Differentiation. 2003. V. 71. № 3. P. 171–205.
  56. Kirby T.J., Lammerding J. Emerging views of the nucleus as a cellular mechanosensor // Nat Cell Biol. 2018. V. 20. № 4. P. 373–381.
  57. Lakirev A.V., Belousov L.V., Naumidi I.I. Effect of external tensions on tissue differentiation in embryos of the clawed toad in vitro // Ontogenez. 1988. V. 19. № 6. P. 591–600.
  58. Lin S.L., Yang J.C., Ho K.N. et al. Effects of compressive residual stress on the morphologic changes of fibroblasts // Med. Biol. Eng Comput. 2009. V. 47. № 12. P. 1273–1279.
  59. Luchinskaia N.N., Belousov L.V. Electron microscopic study of rapid morphogenetic processes in embryonic tissue explants of amphibia // Ontogenez. 1977. V. 8. № 3. P. 263–268.
  60. Luchinskaia N.N., Cherdantsev V.G., Ermakov A.S. et al. Morphomechanical reactions and mechanically stressed structures in amphibian embryos, as related to gastrulation and axial organs formation // Biosystems. 2018. V. 173. № 18–25.
  61. Mammoto T., Mammoto A., Ingber D.E. Mechanobiology and developmental control// Annu Rev. Cell Dev. Biol. 2013. V. 29. P. 27–61.
  62. Martino F., Perestrelo A.R., Vinarský V. et al. Cellular Mechanotransduction: From Tension to Function // Front Physiol. 2018. V. 5. № 9. P. 824.
  63. Meshcheryakov V.N., Beloussov L.V. Asymmetrical rotations of blastomeres in early cleavage of gastropoda // Roux Arch Dev. Biol. 1975. V. 177. P. 193–203
  64. Naumidi I.I., Belousov L.V. Sokratimost’ i épitelizatsiia v osevoĭ mezoderme kurinogo zarodysha [Contractility and epithelization in the chick embryo axial mesoderm] // Ontogenez. 1977. V. 8. № 5. P. 517–520.
  65. Nuño de la Rosa L., Müller G.B. Evolutionary Developmental Biology. Springer Cham. 2021. 1257 p.
  66. Piccolo S., Dupontm S., Cordenonsi M. The biology of YAP/TAZ: hippo signaling and beyond. Physiol. Rev. 2014. V. 94. № 4. P. 1287–1312.
  67. Petridou N.I., Spiró Z., Heisenberg C.P. Multiscale force sensing in development // Nat. Cell Biol. 2017. V. 19. № 6. P. 581–588.
  68. Rehfeldt F., Engler A.J., Eckhardt A. et al. Cell responses to the mechanochemical microenvironment–implications for regenerative medicine and drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 2007. V. 59. № 13. P. 1329–1339.
  69. Shook D.R., Kasprowicz E.M., Davidson L.A. et al. Large, long range tensile forces drive convergence duringb Xenopus blastopore closure and body axis elongation // Elife. 2018. № 7:e26944.
  70. Shook D.R., Wen J.W.H., Rolo A. et al. Characterization of convergent thickening, a major convergence force producing morphogenic movement in amphibians // Elife. 2022. № 11:e57642.
  71. Stein A.A., Logvenkov S.A., Volodyaev I.V. Continuum modeling of mechano-dependent reactions in tissues composed of mechanically active cells // Biosystems. 2018. № 173. P. 225–234.
  72. Uhler C., Shivashankar G.V. Regulation of genome organization and gene expression by nuclear mechanotransduction // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. V. 18. № 12. P. 717–727.
  73. Wang J.H., Thampatty B.P. An introductory review of cell mechanobiology // Biomech. Model. Mechanobiol. 2006. V. 5. № 1. P. 1–16.
  74. Wang N., Tytell J.D., Ingber D.E. Mechanotransduction at a distance: mechanically coupling the extracellular matrix with the nucleus // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009. V. 10. № 1. P. 75–82.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2.

下载 (333KB)
索引源数据
3.

下载 (143KB)
索引源数据
4.

下载 (496KB)
索引源数据

版权所有 © А.С. Ермаков, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».