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20.3D: Modelos web, de red y de anillo de vida - Biología

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Para describir con mayor precisión las relaciones filogenéticas de la vida, se han propuesto modelos de redes y anillos como actualizaciones de los modelos de árboles.

Objetivos de aprendizaje

  • Describir la red, la red y los modelos de anillo de vida de los árboles filogenéticos.

Puntos clave

  • Se propuso un modelo filogenético que se asemeja a una red o una red, ya que los eucariotas no evolucionaron a partir de un único antepasado procariota, sino a partir de un conjunto de muchas especies que compartían genes mediante mecanismos HGT.
  • Se propuso un modelo filogenético que se asemeja a un anillo en el que las especies de los tres dominios, Archaea, Bacteria y Eukarya, evolucionaron a partir de un único grupo de procariotas de intercambio genético.
  • Los modelos filogenéticos seguirán evolucionando a medida que los filogenéticos sigan siendo muy escépticos con respecto a los modelos actuales de árboles, redes y anillos.

Términos clave

  • red de la vida: un modelo filogenético que se asemeja a una red o una red más que a un árbol
  • anillo de vida: un modelo filogenético donde los tres dominios de la vida (Archaea, Bacteria y Eukarya) evolucionaron a partir de un grupo de procariotas primitivos

El reconocimiento de la importancia de la transferencia horizontal de genes (HGT), especialmente en la evolución de los procariotas, ha hecho que algunos se propongan abandonar el modelo clásico del “árbol de la vida”. En 1999, se propuso un modelo filogenético que se asemeja a una red o una red más que a un árbol. La hipótesis es que los eucariotas no evolucionaron a partir de un único ancestro procariota, sino a partir de un grupo de muchas especies que compartían genes mediante mecanismos HGT. Algunos procariotas individuales fueron responsables de transferir las bacterias que causaron el desarrollo mitocondrial en los nuevos eucariotas, mientras que otras especies transfirieron las bacterias que dieron lugar a los cloroplastos. Este modelo a menudo se denomina la "red de la vida". En un esfuerzo por salvar la analogía del árbol, algunos han propuesto usar el árbol Ficus con sus múltiples troncos como árbol filogenético para representar el papel evolutivo de HGT.

Otros han propuesto abandonar cualquier modelo de filogenia similar a un árbol en favor de una estructura de anillo. El "anillo de la vida" es un modelo filogenético en el que los tres dominios de la vida evolucionaron a partir de un grupo de procariotas primitivos. Utilizando el algoritmo de reconstrucción condicionada, propone un modelo en forma de anillo en el que las especies de los tres dominios (Archaea, Bacteria y Eukarya) evolucionaron a partir de un único grupo de procariotas de intercambio genético. Esta estructura se propone como la que mejor se ajusta a los datos de análisis de ADN extensos; el modelo de anillo es el único que tiene en cuenta adecuadamente la HGT y la fusión genómica. Sin embargo, los filogenéticos siguen siendo muy escépticos sobre este modelo.

En resumen, el modelo del “árbol de la vida” propuesto por Darwin debe modificarse para incluir HGT. Esto no significa que un árbol, una red o un anillo se correlacionarán completamente con una descripción precisa de las relaciones filogenéticas de la vida. Una consecuencia del nuevo pensamiento sobre los modelos filogenéticos es la idea de que la concepción original de Darwin del árbol filogenético es demasiado simple, pero tenía sentido en base a lo que se sabía en ese momento.


En Fruit Fly Brain, un anillo para la navegación

Las neuronas que realizan un seguimiento de la posición de una mosca siguen las reglas de una red de atractores de anillos, según muestra una nueva investigación.

Si te das la vuelta lentamente con los ojos cerrados, es probable que puedas seguir la dirección en la que estás mirando. Las neuronas conocidas como células de dirección de la cabeza utilizan una combinación de conocimiento sensorial pasado y su propio movimiento para calcular dónde se encuentra, incluso en ausencia de información visual.

Pero, ¿cómo genera el cerebro estas persistentes representaciones internas? Una nueva investigación de Vivek Jayaraman, Shaul Druckmann y colaboradores en el Campus de Investigación Janelia en Ashburn, Virginia, describe un mecanismo potencial. Los hallazgos muestran que en las moscas de la fruta, lo que se conoce como red atractora de anillos mantiene un sentido interno de dirección.

En las redes de atractores de anillo, los nodos se representan como si estuvieran dispuestos en un anillo. Los nodos vecinos normalmente se excitan entre sí, mientras que los nodos distantes se inhiben entre sí, ya sea directa o indirectamente. Esta disposición de conexiones excitadoras e inhibidoras restringe la dinámica de la red: un solo "golpe" de actividad se mueve continuamente en cualquier dirección alrededor del anillo.

Los neurocientíficos han teorizado durante mucho tiempo que los atractores de anillos podrían ser la base del sentido de orientación espacial; Bruce McNaughton y sus colaboradores sugirieron en la década de 1990 que las células de dirección de la cabeza en los mamíferos funcionan como atractores de anillos. Pero los nuevos hallazgos, publicados en dos artículos en mayo, proporcionan la evidencia más directa hasta la fecha. "Realmente se puede ver cómo el circuito está haciendo los cálculos", dice Larry Abbott, un neurocientífico teórico de la Universidad de Columbia que no participó en los estudios.

Una red que sirve como brújula mental requiere un cierto conjunto de funciones. Debe mantener una representación única; a menos que esté perdido, generalmente tiene una idea de dónde se encuentra. También necesita representar la dirección de forma continua. Si caminas hacia el norte y decides cambiar de dirección, no puedes dirigirte hacia el sur instantáneamente. Tienes que girar, pasando por el noroeste, oeste y suroeste. Y la red debe recordar su orientación, incluso en ausencia de información visual. En resumen, un sistema de dirección requiere una red que pueda producir una actividad fuerte y consistente que se mueva suavemente en cualquier dirección en ausencia de señales visuales. Las redes de atractores de anillo cumplen todos estos requisitos.

En 2015, Jayaraman y su colaborador Johannes Seelig identificaron una red de brújulas en las moscas de la fruta, una estructura en forma de anillo en el cerebro de la mosca conocida como cuerpo elipsoide. Demostraron que la orientación angular del animal está representada por un aumento de actividad neuronal dentro del anillo. A medida que el animal cambia de orientación, la protuberancia de actividad se mueve alrededor del anillo. “La actividad se localiza en una parte de la rosquilla y se mueve de una rebanada a otra a medida que el animal gira”, dice Jayaraman. "Esa fue la primera señal clara de que había un atractor de anillos en funcionamiento".

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La simple elegancia de la estructura asombró a los neurocientíficos. "La anatomía es espectacular", dice Abbott. "Cuando estudias biología, de vez en cuando te encuentras con algo tan hermoso".

El descubrimiento también fue sorprendente por lo bien que coincidía con las teorías desarrolladas a través de estudios de roedores. "El sistema se parece a los modelos de dibujos animados que tenemos para explicar los atractores de anillos", dice James Knierim, neurocientífico de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore que no participó en el estudio. "Fue sorprendente y emocionante que se presentara de esta manera". Knierim y otros han encontrado evidencia indirecta de atractores de anillos en roedores, pero aún no tienen pruebas directas. Por ejemplo, los científicos no tienen evidencia definitiva de dónde residen las células atractoras de anillos potenciales en el cerebro de la rata.

En un nuevo estudio publicado en Ciencias, Jayaraman y sus colaboradores profundizaron en cómo funciona la estructura. Sung Soo Kim, investigador del laboratorio de Jayaraman, demostró que el anillo no puede representar el norte y el suroeste al mismo tiempo: la estructura amortigua los estallidos secundarios de actividad. Las moscas comenzaron el experimento con un golpe de actividad en el anillo de la brújula que representa su rumbo. Una segunda protuberancia artificial provocada con optogenética sofocó la actividad de la protuberancia original. “Mostramos directamente por primera vez cómo las propiedades específicas de la red apoyan la singularidad de la representación de la cabeza”, dice Jayaraman. "Creo que es el ejemplo más claro y limpio que tenemos de un atractor de anillo neural".

Los investigadores trabajaron con los teóricos Hervé Rouault y Druckmann para comprender mejor los parámetros de la red. Las redes de atractores de anillo emplean conexiones tanto excitadoras como inhibidoras. Las conexiones excitadoras fortalecen la actividad de los nodos con un ajuste similar: los nodos sintonizados hacia el norte excitarían más fuertemente los nodos noroeste y noreste. Los nodos individuales también inhiben a otros nodos; por ejemplo, un nodo hacia el norte podría inhibir al que está hacia el sur. Esta inhibición puede tomar diferentes formas. Con una inhibición amplia y uniforme, la actividad en un nodo individual inhibe por igual a todos los demás nodos. Alternativamente, si la fuerza de las conexiones sigue una regla del coseno, un nodo individual inhibe más fuertemente el nodo a 180 grados de distancia, con una inhibición progresivamente más débil en los nodos más cercanos y luego la excitación en los más cercanos. Ambas opciones crean una red donde un aumento de actividad se mueve en un círculo, como la aguja de una brújula, dice Jayaraman.

Para distinguir entre estas dos posibilidades, Kim probó cuánta potencia láser necesitaba para amortiguar un aumento de actividad existente. Si la red tuviera un ajuste de coseno, donde las unidades individuales inhiben con más fuerza a las que se oponen directamente, se necesitaría más poder para desencadenar un golpe norte que reemplazara uno del sur existente. Pero eso no sucedió. Una ráfaga equivalente de potencia láser podría reemplazar una protuberancia con otra, ya sea que las dos protuberancias estuvieran separadas 90 grados o 180. “La inhibición de la red parecía uniforme”, dice Jayaraman. "Es una especie de estructura fácil para que la biología se le ocurra, todo está inhibido por todo lo demás".

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En un segundo artículo, publicado en eLife, los investigadores descifraron cómo se mueve la protuberancia de actividad alrededor del anillo. (Se publicó un estudio independiente similar en Naturaleza al mismo tiempo.) Dan Turner-Evans y Stephanie Wegener en el laboratorio de Jayaraman usaron imágenes de calcio y electrofisiología para mapear la actividad neuronal en moscas cuyas cabezas estaban fijas en su lugar pero aún podían girar en diferentes direcciones. Los investigadores se centraron en dos estructuras, el cuerpo elipsoide y una segunda estructura llamada puente protocerebral, que se asemeja al manillar de una bicicleta.

Las neuronas de la brújula obtienen información del cuerpo elipsoide y la transfieren al puente protocerebral. El equipo de Jayaraman identificó un grupo correspondiente de neuronas, llamémoslas neuronas giratorias, que obtiene información del puente y la envía al cuerpo elipsoide. Las neuronas giratorias envían su información a un segmento del anillo elipsoide justo a la izquierda o derecha del corte que les envió la información. Las neuronas de la brújula hacia el norte, por ejemplo, enviarían información a dos conjuntos de neuronas giratorias, una a cada lado del puente, que a su vez la transmitirían a las neuronas de la brújula del noroeste o noreste.

Cuando la mosca gira hacia la derecha, activa las neuronas de giro a la derecha (azul) e inhibe las neuronas de giro a la izquierda (rojo) en el puente protocerebral (abajo). Lo contrario sucede cuando la mosca gira a la derecha.
Crédito: Stephanie Wegener Cuando la mosca mira en una determinada dirección, digamos hacia el norte, las neuronas de la brújula correspondientes se activan, generando un aumento de actividad en la red del anillo. Esto activa ligeramente las neuronas giratorias a ambos lados del puente protocerebral. Cuando el animal gira hacia el noroeste, el movimiento de giro amplifica selectivamente la actividad en el lado izquierdo del puente. Las neuronas que giran allí hacen sinapsis con un conjunto de neuronas de la brújula del noreste. Activarlos desplaza el aumento de actividad a lo largo del anillo hacia el noreste, actualizando la representación interna del animal de la dirección en la que se dirige a medida que el animal gira, como lo haría la aguja de una brújula.

Los hallazgos proporcionan una rara instancia de la naturaleza que se asemeja mucho al modelo que los científicos desarrollaron para explicar el fenómeno. "Esta estructura de red en particular, esta topología, es casi exactamente lo que propuso el grupo de Bruce McNaughton para explicar las células en la dirección de la cabeza en los mamíferos en 1995", dice Jayaraman. "Estos diseños de aspecto perfecto son como el sueño de un teórico". Abbott está de acuerdo. "Los teóricos a menudo construyen modelos que son más elegantes que la naturaleza, que a menudo es un poco desordenada", dice. "Pero este es un caso en el que la naturaleza es ordenada".

Los investigadores ahora están rastreando el cableado de estas estructuras utilizando microscopía electrónica para determinar si la anatomía real coincide con la conectividad obtenida del mapeo de actividad. También examinarán cómo los animales usan la información de la brújula. “¿Podemos relacionarlo con una acción que realiza el animal? ¿Qué sucede cuando perturbamos la brújula? ¿Podemos entender cómo una representación interna impacta los comportamientos? " Dice Jayaraman. Él especula que las moscas usan este sistema cuando se sienten atraídas hacia algo por un fuerte ímpetu, como el olor de la comida. "Ahí es cuando pensamos que la mosca utilizará el sistema para orientarse", dice. "Le daremos un objetivo a la mosca y le preguntaremos cómo funciona la brújula en ese caso".

En los anillos, la topología importa

Aunque las redes de atractores de anillos a menudo se visualizan como un círculo, la red no necesita estar organizada físicamente de esa manera. "No es la topografía de la red, es la topología", dice Jayaraman. En otras palabras, lo que importa son las conexiones, más que la ubicación física de las células. “Da la casualidad de que sobre la marcha, la topografía y la topología coinciden, las unidades están literalmente dispuestas una al lado de la otra”, dice. Él especula que la optimización del cableado, el impulso del cerebro para ser lo más eficiente posible al establecer el cableado neuronal, podría generar este tipo de estructura de red.

Los hallazgos también deberían proporcionar información sobre los sistemas de brújula de los mamíferos. Los científicos ya sabían que las células en la dirección de la cabeza en los roedores parecen emplear una red atractora de anillos, aunque las versiones de los mamíferos probablemente no tienen la misma forma simple de rosquilla que tienen en las moscas. (Ver recuadro: En Anillos, la topología importa). El sistema de mosca simple ayudará a los investigadores a analizar los sistemas de mamíferos más complejos. "Creo que serán capaces de descifrar los circuitos del atractor de anillo de formas que nos darán pistas sobre cómo probar cosas en el cerebro de rata que de otra manera no podríamos probar", dice Knierim. "Es un gran ejemplo de cómo la investigación en diferentes sistemas modelo puede brindar una gran comprensión del cerebro de los mamíferos".

Los hallazgos también podrían ayudar a los investigadores a comprender cómo el cerebro integra la información, una computación esencial y ubicua en los sistemas neuronales. “Este es un circuito en el que podemos llegar a los aspectos prácticos de la integración”, dice Abbott. Si bien las características específicas del sistema de navegación de vuelo no serán exactamente las mismas que las de otros sistemas de integración, revelará los principios subyacentes, dice.


1. Introducción

En 1944 Erwin Schrödinger publicó una serie de conferencias en ¿Qué es la vida?[1]. Este pequeño libro fue una gran inspiración para que una generación de físicos se adentrara en la microbiología y la bioquímica, con el objetivo de intentar definir la vida por medio de la física y la química. Aunque se ha realizado una enorme cantidad de trabajo, nuestra comprensión de "La vida misma" [2] es aún incompleta. Por ejemplo, la forma estándar en que los libros de texto de biología enumeran las características necesarias de la vida, para delimitarla de la materia inanimada, incluye el metabolismo, el auto mantenimiento, la duplicación que involucra material genético y la evolución por selección natural. Este enfoque en gran parte descriptivo no aborda la complejidad real de los organismos, el carácter dinámico de los sistemas ecológicos o la cuestión de cómo surge el fenotipo del genotipo (por ejemplo, para los procesos de enfermedad [3]).

El universo puede verse como un gran resonador riemanniano en el que la evolución tiene lugar a través de procesos de dispersión de energía y reducción de entropía. La vida se puede considerar como algunos de los maquinaria el universo utiliza para disminuir los gradientes de energía [4]. Esta evolución consiste en un proceso de ruptura de simetría paso a paso, en el que se disminuye la diferencia de densidad de energía con respecto al entorno. Cuando el universo se formó a través del Big Bang hace 13.700 millones de años, tuvo lugar una serie de eventos espontáneos que rompieron la simetría, que evolucionaron el vacío cuántico uniforme en la estructura heterogénea que observamos hoy. De hecho, las fluctuaciones cuánticas del universo temprano volaron a escalas cosmológicas, a través de un proceso conocido como inflación cósmica, y los remanentes de estas fluctuaciones cuánticas se pueden observar directamente en la variación de la radiación cósmica de fondo de microondas en diferentes direcciones. En cada etapa de la evolución del universo, desde la gravedad cuántica hasta las partículas fundamentales, los átomos, las primeras estrellas, las galaxias, los planetas, se produjo una nueva ruptura de la simetría. Estas abstracciones cosmológicas, estelares y de partículas atómicas pueden expresarse poderosamente en términos de teoría de grupos [5].

También resulta que la base misma de toda la física moderna se basa en la teoría de grupos. Hay cuatro interacciones (o fuerzas) fundamentales en la naturaleza: fuerte (responsable de la estabilidad de los núcleos a pesar de la repulsión de los protones cargados positivamente), débil (manifestado en beta-decaimiento), electromagnético y gravitacional. Los tres primeros se describen mediante teorías cuánticas: un grupo gauge SU (3) para los quarks y una teoría SU (2) × U (1) para las interacciones electro-débiles unificadas [6-8]. De estas teorías se puede derivar, por ejemplo, la teoría del electromagnetismo de Maxwell, que es la base de la ingeniería eléctrica y la fotónica contemporáneas, incluida la acción del láser. La teoría de grupos proporciona un marco para construir analogías o modelos a partir de abstracciones, y para la manipulación de esas abstracciones para diseñar nuevos sistemas, hacer nuevas predicciones y proponer nuevas hipótesis.

La motivación de este artículo es examinar un conjunto alternativo de abstracciones matemáticas aplicadas a la biología y, en particular, a la biología de sistemas. La simetría y la ruptura de la simetría juegan un papel prominente en la biología del desarrollo, desde bilaterales hasta organismos radialmente simétricos. Brooks [9], Woese [10] y Cohen [11] han pedido análisis más profundos de la vida aplicando nuevas abstracciones matemáticas a la biología. El objetivo de este artículo no es tanto abordar la difícil cuestión planteada por Schrödinger, sino más bien ampliar el conjunto de técnicas matemáticas potencialmente aplicables a la integración de las cantidades masivas de datos disponibles en la era post-genómica, y contribuir indirectamente a abordar el problema. pregunta difícil. Aquí nos centraremos en cuestiones de biología de sistemas moleculares utilizando técnicas matemáticas en el dominio del álgebra abstracta que hasta ahora los investigadores han pasado por alto en gran medida. El documento incluirá una revisión de la literatura y también ofrecerá algunos trabajos nuevos. Comenzamos con una introducción a la teoría de grupos, luego revisamos las aplicaciones del código genético y el ciclo celular. La última sección explora ideas que expanden la teoría de grupos a la biología de sistemas moleculares contemporánea.


Desarrollo

La estadificación detallada y los mecanismos del desarrollo pulmonar tanto humano como murino han sido bien revisados ​​por otros 9,10,11,12. Para resumir brevemente el desarrollo pulmonar murino, durante la etapa embrionaria, el endodermo del intestino anterior anterior ventral (AFE) expresa el factor de transcripción Nkx2.1 en el día embrionario del ratón (E) 9.0 como un signo de la especificación para promover la gemación pulmonar inicial. De E9.5-E12.5, dos yemas pulmonares con alta expresión de Nkx2.1 y una porción proximal con baja Nkx2.1 que luego forma la tráquea emergen concomitantemente con la tabicación traqueoesofágica. Desde E12.5-E16.5 durante la etapa pseudoglandular, las yemas pulmonares experimentan un período de morfogénesis ramificada para formar el árbol pulmonar y los bronquiolos terminales. Una vez completadas las etapas de desarrollo canalicular y sacular (E16.5-Postnatal (P) día 4), los bronquiolos terminales se estrechan y comienzan a formar sacos epiteliales. Estas estructuras luego forman estructuras alveolares completamente maduras para el intercambio de gases por P21 durante la fase de alveolarización 9. Por el contrario, la alveolarización comienza antes del parto durante el desarrollo del pulmón humano y continúa después del parto hasta la niñez 13.

El desarrollo coordinado de las vías respiratorias conductoras y distales es un proceso vital durante el cual tanto el compartimento epitelial como el mesenquimatoso desempeñan funciones integrales. Las yemas endodérmicas pulmonares en desarrollo penetran en el mesodermo esplácnico y el mesotelio alrededor de E9.5. El pulmón distal en desarrollo adquiere cuatro capas distintas, cada una con sus propios perfiles anatómicos, celulares, morfológicos y moleculares únicos: endodermo (epitelio), mesodermo subepitelial (mesénquima), mesodermo submesotelial (mesénquima) y mesotelio. Las células submesoteliales de amplificación transitoria dan lugar a una población progenitora de células de músculo liso parabronquial (PSMC). Esta población de células luego migra más proximalmente alrededor de los bronquios y se diferencia en células de músculo liso (CML) 14,15. Los estudios que evalúan los niveles de expresión de varios miembros de señalización de Wnt / β-catenina e informadores de actividad en estos compartimentos antes mencionados durante el desarrollo pulmonar han identificado hallazgos contrastantes 16,17. Sin embargo, una miríada de estudios demuestra colectivamente que el mesénquima pulmonar en desarrollo muestra varias interacciones altamente reguladas con el endodermo pulmonar tanto en el ratón como en el ser humano que juntos coordinan la organogénesis pulmonar normal 9, muchas de las cuales están mediadas por Wnt.

Etapa embrionaria (E9.5 – E12.5)

La señalización Wnt juega un papel en algunas de las primeras etapas de la especificación cardiopulmonar. Las células Wnt2 + Gli1 + Isl1 + comprenden los progenitores del mesodermo cardiopulmonar multipotentes (CPP) que orquestan el desarrollo del corazón y los pulmones. El rastreo del linaje de Wnt2 + CPP en E8.5 demuestra su capacidad para generar el tracto de entrada cardíaco y el linaje celular del mesodermo pulmonar por E17.5 18. Estas células son importantes para las interacciones epiteliales-mesenquimales vitales que ocurren durante el desarrollo pulmonar.

Cruce del mesénquima en desarrollo al endodermo

La diafonía mesenquimatosa a endodérmica impulsada por Wnt es de vital importancia desde las primeras etapas del desarrollo pulmonar. Desde E9.5-12.5, hay señalización activa de Wnt / β-catenina tanto en el epitelio como en el mesénquima adyacente a la futura vía aérea proximal según lo medido por los reporteros de actividad TOPGAL y AXIN2-LacZ Wnt 19,20. Los ligandos canónicos Wnt2 / 2b están regulados espaciotemporalmente por genes Hox5 durante esta etapa, con una expresión mesodérmica notable cerca de la cara ventral del intestino anterior anterior entre E9.0 y E10.5 21 (Fig. 2a). Juntos, Wnt2 / 2b cooperan para promover la especificación endodérmica pulmonar Nkx2.1 + (Fig. 2a), ya que los ratones sin ellos muestran agenesia pulmonar 22,23,24. Wnt2 / 2b converge en la señalización canónica en el endodermo en desarrollo, ya que la deleción de β-catenina en el intestino anterior anterior también muestra agenesia pulmonar, lo que resulta en la regulación positiva de la identidad del progenitor digestivo Sox2 + 19,22. Por el contrario, la activación constitutiva de la β-catenina previene la tabicación traqueoesofágica y, en cambio, impulsa la expansión del progenitor endodérmico pulmonar Nkx2.1 + 19,22.

a Durante la etapa embrionaria (E9.0-12.5) del desarrollo, la yema pulmonar emerge de la tabicación traqueal-esofágica ocurre 9. La HOX5 mesenquimatosa (marrón) regula espaciotemporalmente la Wnt2 / 2b endodérmica (rosa) para establecer el progenitor pulmonar NKX2.1 a través de la señalización de β-catenina aguas abajo 21,22,23,24. Los ligandos endodérmicos de Wnt también promueven el FGF10 mesenquimatoso y la β-catenina, que luego permiten la diferenciación de SMC y el desarrollo de cartílagos y células basales 27. B Durante la etapa pseudoglandular (E12.5-E16.5), las yemas pulmonares experimentan una morfogénesis ramificada para desarrollar bronquiolos terminales 9. Wnt5a mesenquimal promueve la formación de cartílago y tráquea a través de mecanismos dependientes de ROR2 [33]. Notum regulado por Wntless (Wls) suprime el Wnt mesenquimatoso y es necesario para el desarrollo traqueal y la morfogénesis ramificada 39,40. Un eje de señalización Wnt7b-BMP4 también promueve la proliferación epitelial y la diferenciación de las SMC vasculares mesenquimales (VSMC) y la proliferación de las SMC 35,36,37,38. Además, la expresión epitelial de Wnt5a es más alta en las puntas distales 31,33 y trabaja para promover la morfogénesis ramificada a través de la supresión y activación de la señalización de SHH y Fgf10, respectivamente 34. Un examen más detenido del mesénquima revela que la señalización de FGF9 tanto del epitelio como del mesotelio convergen para promover Wnt2a submesotelial y facilitar la proliferación de células mesenquimales [14]. C Durante las etapas de desarrollo canalicular / sacular (E16.5-P4), los bronquiolos terminales se vuelven más definidos y forman sacos epiteliales 9. La regulación negativa de Wnt por DKK1 da como resultado la proximalización del epitelio pulmonar. Los altos niveles de señalización de Wnt impulsan un fenotipo de las vías respiratorias distales, mediado en parte por la señalización de N-MYC-BMP4-FGF 44. D La etapa de alveolarización (P4-21) concluye con la maduración de las estructuras alveolares 13. Las células ATII que responden a Wnt (AXIN2 +) regulan la alveologénesis pulmonar al inclinarse hacia un linaje ATII maduro y en lugar de un linaje ATI 47.

El pulmón embrionario en desarrollo también tiene medidas para frenar la señalización Wnt canónica. Mientras que la proteína homeobox 1 (Barx1) se expresa de manera prominente en el mesénquima del estómago en desarrollo donde orquesta la diferenciación endodérmica, se ha demostrado que su expresión en todo el mesénquima del intestino anterior dorsal y los bronquios del tronco principal inhibe la señalización de Wnt endodérmica para promover la especificación del intestino anterior torácico 25. Similar a la activación constitutiva de β-catenina, la deleción de Barx1 da como resultado la pérdida de tabicación traqueoesofágica como se evidencia por una capa luminal contigua única de epitelio traqueal Nkx2.1 + y Sox2 + esofágico por E10.5 19,22,25.

Cruce del endodermo en desarrollo al mesénquima

Ya en E11.5, la señalización del ligando Wnt2 canónico promueve la señalización del factor de crecimiento de fibroblastos 10 (Fgf10) que, a su vez, facilita la diferenciación de las células de músculo liso α / β + del receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas (Pdgfr) inmaduro al regular la expresión de miocardina y Mrtf-B, factores de transcripción críticos en la miogénesis 26 (Fig. 2a). Mesenchymal Wnt2 también promueve la expresión endodérmica de Wnt7b que luego envía señales al mesénquima subepitelial para impulsar aún más la diferenciación de SMC 26. Más recientemente, se demostró que los ligandos Wnt epiteliales activan la β-catenina mesenquimatosa, que junto con Fgf10 / Fgfr2, regulan tanto a los progenitores del cartílago como al desarrollo de las células basales 27 (Fig. 2a).

Estadio pseudoglandular (E12.5-E16.5)

La activación constitutiva de la β-catenina en las células de la proteína tensioactiva C (Sftpc) + impulsa la dilatación de las vías respiratorias de conducción distal concomitante sin diferenciación del destino de las células secretoras o ciliadas 28. De acuerdo con esto, R-spondina 2 (Rspo2) facilita el crecimiento pulmonar embrionario normal y el inicio de la morfogénesis ramificada al potenciar la señalización de Wnt / β-catenina 29. Sin embargo, un estudio reciente identificó que Rspo2 antagoniza el RNF43 y el zinc y el dedo anular (ZNRF) 3 para regular la formación de extremidades y pulmones en xenopus 4. Estos esfuerzos dieron como resultado un cambio de paradigma, demostrando que Rspo2 puede potenciar la señalización de Wnt en ausencia de LGR 4,30. Curiosamente, mientras que Rspo2 impulsa la morfogénesis ramificada más temprano en el desarrollo, no tiene ningún papel en la diferenciación de los tipos de células epiteliales o mesenquimales [29]. Esto sugiere una redundancia funcional en los reguladores ascendentes variables de la señalización de Wnt en el desarrollo pulmonar embrionario.

Varios ligandos de Wnt se han caracterizado bien en la etapa pseudoglandular. Wnt5a se expresa de forma difusa tanto en el epitelio como en el mesénquima ya en E12.0 31 (Fig. 2b). Su expresión es dinámica y máxima en el epitelio distal en las puntas de los puntos de ramificación en E16.0 y es fundamental para el alargamiento traqueal, el patrón de anillos de cartílago y la restricción de la expansión distal de las vías respiratorias 31,32,33. Además, el Wnt5a epitelial regula la morfogénesis pulmonar distal a través de la supresión y activación de la señalización del erizo sónico (Shh) y Fgf10, respectivamente 34. Wnt5a mesenquimal es principalmente responsable de la elongación traqueal y la formación de anillos de cartílago a través de mecanismos dependientes de Ror2 en el mesénquima traqueal dorsal 33.

Wnt2a se expresa en la capa submesotelial del pulmón distal durante la morfogénesis ramificada [20]. El FGF9 derivado del epitelio o del mesotelio desencadena la activación del FGFR1 / 2 mesenquimatoso en E13.5 14. Fgfr1 / 2 activa entonces la Wnt2a submesotelial para que converja en la señalización de β-catenina que, a su vez, promueve la proliferación de células mesenquimales que es importante para el crecimiento de órganos 14 (Fig. 2b). La β-catenina mesodérmica promueve adicionalmente la amplificación del progenitor Fgf10 + PSMC, pero no juega ningún papel en su diferenciación a SMC. Sin embargo, la diferenciación adecuada de las células endoteliales depende de la señalización de la β-catenina, lo que indica su necesidad para la formación de múltiples linajes mesenquimales a través de mecanismos dependientes del factor de transcripción de homeodominio 2 pareado (PITX2) 15.

Wnt7b se expresa en todo el epitelio de la vía aérea al inicio del estadio pseudoglandular, con mayor expresión localizada en la vía aérea distal, específicamente en las yemas de los pulmones 35,36 (fig. 2b). Los ratones con pérdida de función Wnt7b conservan el patrón proximodistal a pesar de su arquitectura pulmonar más pequeña y la formación incompleta del anillo cartilaginoso 35,37. Además, la señalización autocrina de Wnt7b gobierna la proliferación epitelial, en parte, por mecanismos dependientes de Bmp4 37.

Las señales de Wnt epiteliales entregadas al mesénquima suprayacente también juegan un papel fundamental en esta etapa del desarrollo pulmonar. El Wnt7b de origen endodérmico promueve la proliferación mesenquimatosa pulmonar y el crecimiento de la vasculatura pulmonar en esta etapa 35,37 (Fig. 2b), ya que su inactivación da como resultado hipoplasia pulmonar de ratón, debilitamiento de la integridad del músculo liso vascular y muerte a los pocos minutos después del nacimiento debido a insuficiencia respiratoria 35. Wnt7b también proporciona una señal paracrina al mesénquima adyacente para promover la proliferación de SMC pulmonar de Pdgfrβ + y el compromiso con las SMC vasculares 38, que está mediada por la proteína de matriz extracelular tenascina C 38 (Fig. 2b).

Al igual que con la fase embrionaria, la regulación estricta de la actividad de señalización de Wnt canónica también es importante en la etapa pseudoglandular. Notum, una desacilasa que elimina las modificaciones lipídicas de Wnt y, por lo tanto, inhibe la secreción de Wnt, es fundamental para el desarrollo traqueal 39. Los ratones knockout de Notum exhiben estenosis traqueal, reducción de los anillos cartilaginosos y del músculo traqueal por E16.5 39. Notum está regulado por Wntless (Wls), una proteína de carga involucrada en el tráfico de Wnt modificado con lípidos desde el Golgi a la superficie celular. La deleción epitelial de Wls también altera el desarrollo traqueal, la morfogénesis ramificada y el patrón proximo-distal ya en E12.5 39,40. Además, en explantes de pulmón cultivados, el inhibidor de señalización de Wnt canónico dickkopf1 (Dkk1) inhibe la ramificación del árbol pulmonar y la diferenciación mesenquimatosa al disminuir la expresión mesenquimatosa distal de Wnt2a, Pdgfrα, fibronectina y alfa-actina del músculo liso 20.

La inhibición de la señalización de Wnt canónica en la etapa pseudoglandular también se logra mediante la activación de la señalización de Wnt no canónica. La expresión epitelial de las proteínas del receptor 1 de tipo G de siete pasos Cadherin EGF LAG (Celsr1) y la proteína PCP 2 (Vangl2) involucradas con el eje PCP promueven la morfogénesis ramificada, ya que los ratones con mutaciones en cualquiera de estas proteínas presentan pulmones deformados y menos, más lúmenes estrechos de las vías respiratorias 41. In addition, transcription factor Gata binding factor 6 (Gata6) activates non-canonical receptor Frizzled (Fzd2), which inhibits canonical Wnt signaling to constrain bronchioalveolar stem cell expansion during development 42 . The loss of Gata6 in Sftpc+ lung epithelium leads to dilated airways and neonatal death 42 .

Canalicular/saccular stages (E16.5-P4)

While dispensable for early proximo-distal patterning, canonical Wnt7b ligand promotes distal Aquaporin5+ ATI lung epithelial cell differentiation during the canalicular and saccular stages 35 . These findings stand in contrast to those found by another group identifying normal, preserved cell differentiation from Wnt7b −/− mouse lungs 37 . Others report that β-catenin in Sftpc-expressing lung endodermal progenitor cells is necessary for the formation of terminal alveolar saccules, as its loss results in a proximalized lung with enlarged bronchial tubes as early as E13.5 43,44 . Ectopic Dkk1 expression phenocopies these findings, likely through activation of Fgf10-Fgfr2 signaling 44 . During this stage, β-catenin is sufficient but not necessary for Sftpc+ lung endodermal progenitor cell proliferation 45 . Constitutive activation of β-catenin decreases differentiation of distal pulmonary cell types and instead promotes ectopic expression of gut and intestinal cell lineages 45 . This is accomplished by β-catenin binding to the N-myc, Bmp4, y Fgf promoters 44 (Fig. 2c).

Alveolarization stage (P4–P21)

Although studies have well characterized the mechanisms underpinning several early stages of lung development and the involvement of Wnt signaling, this remains poorly understood in the alveolarization stage. Early studies by Mucenski et al. demonstrate that a constitutively active form of β-catenin results in Forkhead boxa2 (Foxa2) inhibition, thereby contributing to epithelial cell dysplasia and goblet cell hyperplasia 46 . More recently, a study found a wave of Wnt signaling emerges in the late sacculation/early alveologenesis stage, marked by the expansion of Wnt-dependent AXIN2+ alveolar type II (ATII) cells that contribute to the budding alveolus 47 (Fig. 2d). In contrast, low Wnt signaling skews the cellular fate toward an alveolar type I (ATI)-like lineage 47 . These results not only indicate the critical role of β-catenin, but also suggest that its tight spatiotemporal regulation is important for proper respiratory epithelial differentiation.

Prospective/discussion of Wnt signaling in lung development

While all of these studies have proven instrumental in allowing us to define the role of Wnt signaling throughout the varying stages of lung development, much remains to be learned. It is apparent that the phases of lung development are interdependent on each other, rendering it difficult to interpret the biology that is specifically responsible for a given phase in isolation from other phases of development. It is critical that we begin to further dissect the dynamic nature of niche interactions during distinct phases of development. As such, development of novel tools to achieve this level of granularity and isolation will yield more nuanced insight of not only Wnt signaling, but other signaling cascades, in lung developmental biology. In addition, the advent of in vitro organoid systems has and will continue to allow for us to better understand human airway and lung development specifically. At the molecular level, much remains to be understood about the dynamic receptor–ligand interactions. The seminal work of Szenker-Ravi et al. and Lebensohn et al. raises the question: how does Rspo2 mechanistically potentiate Wnt signaling in the absence of LGR receptors 4,30 ? Under what circumstances is R-spondin interaction with its cognate LGR required for distinct phases of development?


Network Topology Mapping Software

Now that we know the different types of topology, it is time to consider how to design your network from scratch. There are several software products that allow you to create your own network topology diagrams. Network topology diagrams show you a diagram of how your network connects together and helps you to create an efficient network design. It also provides you with a reference point that assists you when you attempt to run troubleshooting to fix faults.

What should you look for in network topology mapping software?

We reviewed the market for network topology mapping software and analyzed the options based on the following criteria:

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Microsoft Visio

There are many different network topology mapping products out there but one of the most widely-used is Microsoft Visio. With Microsoft Visio, you can draw up your network by adding network elements to a canvas. This program allows you to design a topology diagram that details your network. Of course, drawing up your own network isn’t always ideal particularly when you’re attempting to map a larger computer network.

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Resultados

Biomimetic Scaffold Preparation

The biomimetic PCL scaffold was designed to closely mimic the anatomy and mechanical behavior of the native trachea in a 4-month-old New Zealand white rabbit. PCL was 3D-printed into a biomimetic framework with a separated-ring structure. The width of each PCL ring was 1.0 mm and the distance between adjacent PCL rings was 1.0 mm. The luminal diameter was 5 mm, which is close to the average diameter of a rabbit’s native trachea (Figure 1A). Mechanical testing results indicated that the biomimetic PCL scaffold exhibited better bending and extension properties in the longitudinal compared with the cylindrical PCL tube (Figure 1A and Supplementary Video 1). Furthermore, the biomimetic PCL scaffold exhibited better longitudinal flexibility in the three-point bending test (Figure 1B), but it maintained similar radial rigidity compared with the cylindrical PCL tube (Figure 1C), and it returned to its original shape when the load was removed (Supplementary Video 2).

Figura 1. Mechanical properties of the biomimetic PCL scaffold. Bending and extending tests of the biomimetic PCL scaffold and the cylindrical PCL tube (A). Three-point bending (B) and compression test (C) of the biomimetic PCL scaffold and the cylindrical PCL tube (norte = 3 per group).

Next, collagen sponge was added into the spaces amid the PCL rings of the scaffold by a pouring-lyophilization method for tracheal cartilage formation. The collagen sponge was successfully loaded between the PCL rings and formed a biomimetic scaffold with a collagen ring-PCL ring alternating structure (Figure 2A). SEM images revealed that the collagen region exhibited a porous structure (Figures 2B,C), which favors chondrocyte attachment, proliferation, and secretion of cartilage-specific extracellular matrix (ECM). Conversely, the PCL regions in both the biomimetic scaffold and cylindrical tube displayed a non-porous structure (Figures 2D𠄿), which prevented cells from penetrating into the PCL scaffold.

Figura 2. Morphology of the biomimetic scaffold and cylindrical tube. Macro-morphology of the biomimetic scaffold (A) and cylindrical tube (B). Micro-morphology of the biomimetic scaffold (B𠄼) and cylindrical tube (E𠄿) as observed by SEM. The green arrow indicates the collagen region, and the yellow arrow indicates the PCL region.

Tracheal Cartilage Formation in vitro

Tracheal cartilage formation was evaluated by in vitro experiments. After the biomimetic scaffolds were recolonized with chondrocytes and cultured in vitro for 4 weeks, the chondrocyte-scaffold constructs formed a tubular structure with a distinguished separated-ring structure (Figures 3A,B). The regions in collagen ring displayed a visible cartilage-like tissue, while the cartilage-like tissue was obscure in the PCL regions. Histological analysis of a longitudinal section further confirmed the marked difference between the collagen region and the PCL region (Figures 3D1–G1): cartilage-like tissue with a primary lacuna structure containing GAG and collagen II was formed in the collagen region (Figures 3D2–G2), while virtually no cartilage tissue was formed in the PCL region (Figures 3D3–G3), and only a thin layer of cartilage-like tissue was observed on the outer surface of the PCL.

Figura 3. In vitro biomimetic trachea regeneration. Gross view of the biomimetic trachea after 4 weeks in vitro cultura (A,B). (C) shows the sectioning schematic. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a longitudinal section of the engineered biomimetic trachea (D1–G1). Magnified views of a cartilage ring (D2–G2) and PCL ring (D3–G3). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions.

Biomimetic Trachea Formation en vivo

The biomimetic scaffold was further evaluated for its ability to facilitate the formation of a biomimetic trachea en vivo. After the scaffold was subcutaneously incubated in a nude mouse for 6 weeks, an intact tubular tissue with a visible separated-ring structure was generated (Figures 4A,B). Histological images of a longitudinal section (Figure 4C) showed that cartilage rings and PCL rings were alternately arranged in the structure (Figures 4D1–G1). Specifically, a mature cartilage-specific tissue with a typical lacuna structure and positive staining of safranin-O and collagen II formed in the collagen regions (Figures 4D2–G2), but there were no traces of any cells or tissues in the PCL region (Figures 4D3–G3). These findings were further confirmed by microscopic observation of transverse histological sections (Figures 5A,B). Importantly, quantitative analyses showed that the en vivo engineered sample showed apparently higher biochemical contents (DNA, GAG, collagen II, and total collagen) than those of the in vitro engineered sample (Figures 5C𠄿), and had comparable GAG and collagen II contents (Figures 5D,E) and slightly lower DNA and total collagen contents (Figures 5C,F) compared with native tracheal tissue.

Figura 4. In vivo biomimetic trachea formation and histological analysis of a longitudinal section. Gross view of the biomimetic trachea after 6 weeks en vivo incubación (A,B). (C) shows the sectioning schematic. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a longitudinal section of the engineered biomimetic trachea (D1–G1). Magnified views of the cartilage ring (D2–G2) and PCL ring (D3–G3). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions.

Figure 5. Histological analysis of a transverse section of en vivo engineered biomimetic trachea and biochemically quantitative evaluation. HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a transverse section of the en vivo engineered biomimetic trachea and representative magnified images of the cartilage ring (A). HE, safranin-O, collagen II, and toluidine blue staining of a transverse section of the en vivo engineered trachea and representative magnified images of the PCL ring (B). The green arrows indicate cartilage regions, and the yellow arrows indicate PCL regions. Quantitative measures of the DNA content (C), GAG content (D), collagen II content (E), and total collagen content (F) in samples engineered in vitro y en vivo as well as its native tracheal counterpart. norte = 3 per group. *PAG < 0.05.

The constructs retrieved after 6 weeks of en vivo incubation were subjected to mechanical testing, and load-displacement curves were derived to compare the mechanical behavior with that of a native trachea. In a three-point bending test, the load curve of the biomimetic trachea was very similar to that of the native trachea until the displacement reached about 2.5 mm (Figure 6A). This finding indicates that the biomimetic trachea closely mimics the native trachea in terms of longitudinal flexibility. In a radial compression test, the load curve of the biomimetic trachea was discernibly higher than that of the native trachea (Figure 6B), and the biomimetic trachea returned to its original shape when the load was removed (Supplementary Video 3). These findings demonstrated that the biomimetic trachea was superior to the native trachea in terms of radial rigidity.

Figure 6. Mechanical characteristics of the engineered biomimetic trachea cultured en vivo. Three-point bending (A) and compression testing (B) of the biomimetic trachea and native trachea (norte = 3 per group).

Long-Segment Tracheal Replacement Using the Engineered Biomimetic Trachea

To further evaluate the feasibility of the biomimetic trachea in repairing long-segment tracheal defects in a more applied manner, we performed a trachea replacement in a rabbit model (Figure 7). The engineered biomimetic trachea exhibited sufficient strength to be attached to the native trachea using sutures. As listed in the Supplementary Table 1, neither operative death nor anastomotic dehiscence occurred in any rabbit. After the replacement operation, neither air leakage nor collapse around the biomimetic trachea was observed. None of the rabbits showed any sign of stridor or dyspnea during the recovery period. In addition, all rabbits survived without obvious inflammatory exudation, formation of granulation tissues, anastomotic leakage, or stenosis in the operation area over 8 weeks following the surgery.

Figure 7. Tracheal replacement using the biomimetic trachea. Schematic illustration of the replacement surgery (A). Biomimetic trachea transplantation by end-to-end anastomosis (B).

Bronchoscopy examinations at 4 and 8 weeks following implantation showed that the lumen of the biomimetic trachea remained patent at both time points, and overgrowth of granulation tissue seldom occurred (Figures 8A,E). These findings were further confirmed by gross observation (Figures 8B,F). In addition, histological images showed that the ring shapes in both the cartilage and PCL regions remained intact (Figures 8C,D,G,H). Notably, the biomimetic tracheas developed the structures and features of cartilage-like tissue with lacunar structures (Figures 8C1� and G1–H1) and cartilage ECM, as evidenced by positive safranin-O (Figures 8C2� and G2–H2), immunohistochemical collagen II (Figures 8C3� and G3–H3), and toluidine blue (Figures 8C4� and G4–H4) staining, at both 4 and 8 weeks following implantation. All the quantitative indexes, including contents of DNA, GAG, collagen II, and total collagen, apparently increased with the prolonged tracheal replacement time from 4 to 8 weeks (Figure 9). These results indicate that the biomimetic trachea is suitable for long-segment tracheal replacement.

Figura 8. Therapeutic outcome after tracheal replacement. Bronchoscopy and gross examination images of the biomimetic trachea 4 weeks after the replacement surgery (A,B). Histological images of a transverse section of the biomimetic trachea showing a cartilage ring (C,C1�) and a PCL ring (D,D1�) 4 weeks after the replacement surgery. Bronchoscopy and gross examination images of the biomimetic trachea 8 weeks after the replacement surgery (E,F). Histological images of a transverse section of the biomimetic trachea showing a cartilage ring (G,G1–G4) and a PCL ring (H,H1–H4) 8 weeks after the replacement surgery. The biomimetic trachea is delineated by red dotted lines.

Figure 9. Quantitative analyses of the biomimetic trachea after tracheal replacement. DNA content (A), GAG content (B), collagen II content (C), and total collagen content (D) of the biomimetic after tracheal replacement for 4 and 8 weeks. norte = 3 per group. *PAG < 0.05.


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Activity of 3-ketosteroid 9α-hydroxylase (KshAB) indicates cholesterol side chain and ring degradation occur simultaneously in Mycobacterium tuberculosis

Mycobacterium tuberculosis (Mtb), a significant global pathogen, contains a cholesterol catabolic pathway. Although the precise role of cholesterol catabolism in Mtb remains unclear, the Rieske monooxygenase in this pathway, 3-ketosteroid 9α-hydroxylase (KshAB), has been identified as a virulence factor. To investigate the physiological substrate of KshAB, a rhodococcal acyl-CoA synthetase was used to produce the coenzyme A thioesters of two cholesterol derivatives: 3-oxo-23,24-bisnorchol-4-en-22-oic acid (forming 4-BNC-CoA) and 3-oxo-23,24-bisnorchola-1,4-dien-22-oic acid (forming 1,4-BNC-CoA). The apparent specificity constant (k(cat)/K(m)) of KshAB for the CoA thioester substrates was 20-30 times that for the corresponding 17-keto compounds previously proposed as physiological substrates. The apparent K(m)(O(2)) was 90 ± 10 μM in the presence of 1,4-BNC-CoA, consistent with the value for two other cholesterol catabolic oxygenases. The Δ(1) ketosteroid dehydrogenase KstD acted with KshAB to cleave steroid ring B with a specific activity eight times greater for a CoA thioester than the corresponding ketone. Finally, modeling 1,4-BNC-CoA into the KshA crystal structure suggested that the CoA moiety binds in a pocket at the mouth of the active site channel and could contribute to substrate specificity. These results indicate that the physiological substrates of KshAB are CoA thioester intermediates of cholesterol side chain degradation and that side chain and ring degradation occur concurrently in Mtb. This finding has implications for steroid metabolites potentially released by the pathogen during infection and for the design of inhibitors for cholesterol-degrading enzymes. The methodologies and rhodococcal enzymes used to generate thioesters will facilitate the further study of cholesterol catabolism.


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