По мере развития эмбрионы следуют заранее установленным схемам складывания тканей, так что особи одного и того же вида в конечном итоге имеют органы почти одинаковой формы и очень похожие формы тела.
Ученые Массачусетского технологического института открыли ключевую особенность эмбриональной ткани, которая помогает объяснить, как этот процесс каждый раз выполняется с такой точностью. При исследовании плодовых мушек они обнаружили, что воспроизводимость складок тканей обеспечивается сетью белков, которые соединяются подобно рыболовной сети, создавая множество альтернативных путей, которые ткани могут использовать для правильного складывания.
«Мы обнаружили, что в сети много избыточности», - говорит Адам Мартин, адъюнкт-профессор биологии Массачусетского технологического института и старший автор исследования. «Клетки взаимодействуют и соединяются друг с другом механически, но вы не видите, чтобы отдельные клетки брали на себя всю важную роль. Это означает, что если одна клетка повреждена, другие клетки все еще могут соединяться с разрозненными частями ткани».
Чтобы раскрыть эти особенности сети, Мартин работал с Йорном Дункелем, адъюнкт-профессором физической прикладной математики Массачусетского технологического института и автором статьи, над применением алгоритма, обычно используемого астрономами для изучения структуры галактик.
Ханна Йевик, постдоктор Массачусетского технологического института, является ведущим автором исследования, опубликованного сегодня в Developmental Cell. Аспирант Пирсон Миллер также является автором статьи.
Сетка безопасности
Во время эмбрионального развития ткани изменяют свою форму посредством процесса, известного как морфогенез. Одним из важных способов изменения формы тканей является складывание, что позволяет плоским листам эмбриональных клеток становиться трубками и другими важными формами для органов и других частей тела. Предыдущие исследования плодовых мушек показали, что даже когда некоторые из этих эмбриональных клеток повреждены, листы все еще могут складываться в правильную форму.
«Это довольно воспроизводимый процесс, поэтому мы хотели узнать, что делает его таким надежным», - говорит Мартин.
В этом исследовании исследователи сосредоточились на процессе гаструляции, во время которой эмбрион преобразуется из однослойной сферы в более сложную структуру с несколькими слоями. Этот процесс и другие морфогенетические процессы, сходные со складками тканей плодовых мушек, также происходят у эмбрионов человека. Эмбриональные клетки, участвующие в гаструляции, содержат в своей цитоплазме белки, называемые миозином и актином, которые образуют кабели и соединяются в местах соединения клеток, образуя сеть по всей ткани. Мартин и Йевик выдвинули гипотезу, что сеть клеточных соединений может играть роль в прочности складок тканей, но до сих пор не было хорошего способа проследить связи в этой сети.
Для этого лаборатория Мартина объединила усилия с Данкелем, изучающим физику мягких поверхностей и текучих веществ, например, образование морщин и закономерности распространения бактерий. Для этого исследования Данкелю пришла в голову идея применить математическую процедуру, которая может идентифицировать топологические особенности трехмерной структуры, аналогичной горным хребтам и долинам в ландшафте. Астрономы используют этот алгоритм для идентификации галактик, а в данном случае исследователи использовали его для отслеживания актомиозиновых сетей между клетками в слое ткани.
Когда у вас есть сеть, вы можете применять стандартные методы сетевого анализа - тот же вид анализа, который вы применяли бы к улицам или другим транспортным сетям, или сети кровообращения, или любой другой форме сети, - говорит Дункель.
Помимо прочего, такой анализ может выявить структуру сети и то, насколько эффективно по ней течет информация. Один важный вопрос заключается в том, насколько хорошо сеть адаптируется, если ее часть повреждена или заблокирована. Команда Массачусетского технологического института обнаружила, что сеть актомиозина содержит много избыточности, то есть большинство «узлов» сети связаны со многими другими узлами.
Эта встроенная избыточность аналогична хорошей системе общественного транспорта, где, если одна линия автобуса или поезда выйдет из строя, вы все равно сможете добраться до пункта назначения. Поскольку клетки могут генерировать механическое напряжение по многим различным путям, они могут складываться правильным образом, даже если многие клетки в сети повреждены.
Если мы с вами держим одну веревку, а затем перережем ее посередине, она разорвется. Но если у вас есть сеть, и вы перережете ее в некоторых местах, она все равно останется глобально связанной и может передавать силы, пока вы не отрежете их полностью», - говорит Дункель.
Складной каркас
Исследователи также обнаружили, что связи между клетками организуются преимущественно в том же направлении, что и борозды, образующиеся на ранних стадиях складывания.
«Мы думаем, что это создает каркас, вокруг которого ткань будет принимать свою форму», - говорит Мартин. «Если вы предотвратите направленность соединений, то произойдет то, что вы все еще можете получить сложение, но оно будет складываться по неправильной оси».
Хотя это исследование было проведено на плодовых мушках, подобное складывание происходит у позвоночных (включая человека) во время формирования нервной трубки, которая является предшественником головного и спинного мозга. Теперь Мартин планирует применить методы, которые он использовал на плодовых мушках, чтобы увидеть, организована ли актомиозиновая сеть таким же образом в нервной трубке мышей. Дефекты закрытия нервной трубки могут привести к врожденным дефектам, таким как расщепление позвоночника.
"Мы хотели бы понять, что может пойти не так", - говорит Мартин. «До сих пор не ясно, то ли проблема в запаивании тубы, то ли в процессе складывания есть дефекты».
Исследование финансировалось Национальным институтом общих медицинских наук и Фондом Джеймса С. Макдоннелла.