膨張抑制によるモルフォゲン勾配のスケーリング積分フィードバックコントロール

大きいサイズの変動にもかかわらず、発展途上のボディプランの割合は顕著な精度で維持されます。サイズのパターンのこの適応（スケーリング）を保証するメカニズムについてはほとんど知られていません。モルフォゲン勾配によるパターニングのほとんどのモデルは、スケーリングをサポートしません。対照的に、一般的なフィードバックトポロジーでスケーリングが自然に発生することを示しています。このトポロジーでは、モルフォゲン勾配の範囲は、生産がモルフォゲンシグナル伝達によって抑制される拡散性分子の豊富さとともに増加します。このメカニズムを「拡張抑制」と呼び、幅広い生物学的シナリオ内で機能できることを示します。拡張抑制スケーリングメカニズムは、生物学的恒常性の維持にも役立つ可能性が高いエンジニアリングの重要な概念である積分フィードバックコントローラーに類似しています。

Despite substantial size variations, proportions of the developing body plan are maintained with a remarkable precision. Little is known about the mechanisms that ensure this adaptation (scaling) of pattern with size. Most models of patterning by morphogen gradients do not support scaling. In contrast, we show that scaling arises naturally in a general feedback topology, in which the range of the morphogen gradient increases with the abundance of some diffusible molecule, whose production, in turn, is repressed by morphogen signaling. We term this mechanism "expansion-repression" and show that it can function within a wide range of biological scenarios. The expansion-repression scaling mechanism is analogous to an integral-feedback controller, a key concept in engineering that is likely to be instrumental also in maintaining biological homeostasis.