Отделение желтка от окружающей цитоплазмы в очень раннем зародыше рыбы является ключевым процессом для развития личинки рыбы. Чтобы определить его основные механизмы, биологи из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) объединились со своими коллегами из теоретической физики. Открытие: динамика актина в массе сегрегации фазы клеточного привода в ооцитах рыбок данио.
Икра одноклеточной рыбы превращается в многоклеточный эмбрион менее чем через два часа после оплодотворения. За эти два часа цитоплазма, из которой впоследствии сформируется тело животного, должна полностью отделиться от желтка, которым собирается питаться личинка. Ранее клеточные биологи предположили, что локальное расширение клеточной поверхности на одном полюсе яйца опосредует эту сегрегацию. Однако прямых доказательств, подтверждающих эту модель, не было.
Объединив усилия: лабораторные эксперименты и физическая теория
Чтобы понять физическую основу этого процесса сегрегации, Шаян Шамипур, аспирант исследовательской группы биолога развития Карла-Филиппа Гейзенберга, объединился с исследовательской группой физика-теоретика Эдуарда Ханнезо. Основываясь на совместном опыте этих двух групп, авторы, в том числе третий профессор IST Австрии Бьорн Хоф, показывают, что силы, действующие на клеточную поверхность, для этого процесса необязательны - в отличие от предыдущих моделей. Вместо этого они обнаружили, что комбинированные тянущие и толкающие силы внутри эмбриона облегчают отделение цитоплазмы от гранул желтка. Важно отметить, что теория, разработанная для описания этого процесса, может быть применена к любой сегрегации из-за сил, действующих со стороны активной жидкости, и, таким образом, также может быть использована для изучения потенциальных сходных процессов у эмбрионов млекопитающих/человека.
Размер имеет значение
Но как генерируются эти согласованные тянущие и толкающие движения? В основной массе клетки, вдали от клеточной поверхности, филаменты актина и миозина - белки, также участвующие в сокращении мышечных клеток, - образуют плотную сетку. Полимеризация и сокращение этой сетки запускает ток актина к анимальному полюсу яйца, полушарию, которое собирается дифференцироваться в более поздний эмбрион. Благодаря пассивным силам трения эти потоки актина тянутся вдоль цитоплазмы. Более крупные гранулы желтка, напротив, не увлекаются актином, так как их трение с актином намного ниже. Вместо этого они активно толкаются или, скорее, сдавливаются к противоположному вегетативному полюсу яйца кометоподобными актиновыми структурами - особыми актиновыми структурами, функция которых ранее не сообщалась в процессах развития. Комбинация этих тянущих и толкающих сил обеспечивает надежную сегрегацию цитоплазмы и гранул желтка внутри развивающегося эмбриона.
Выведение тьмы на свет
Изучив более глубокие части клетки, междисциплинарная группа обнаружила, что расширение анимальных полюсов на поверхности клетки, как предполагалось ранее, не является существенным для сегрегации желток-цитоплазма. «Актиновые структуры на клеточной поверхности кажутся очень яркими, и поэтому их довольно легко изучать. Может быть, именно поэтому ученые до сих пор просто не заглядывали глубже в гораздо более темную объемную область, которая составляет большую часть клетки», - говорит Шаян. Шамипур, ведущий автор исследования. Усовершенствованная обработка изображений позволила исследователям IST Austria более внимательно изучить развитие икры рыб сразу после оплодотворения. Но, как добавляет Шамипур, еще одним ключом к успеху было другое: «Чтобы поймать самые первые моменты развития икры, мы должны были быть очень быстрыми: всякий раз, когда одна из наших рыб начинала выпускать икру в воду, я нажимал запускал секундомер, и мои коллеги видели, как я бегу от рыбного хозяйства к комнате микроскопии, чтобы наблюдать и записывать процесс."
Командная работа, движимая любопытством, в лучшем виде
По словам клеточного биолога с опытом работы в области физики, Шамипур какое-то время с подозрением относился к преобладающему поверхностному объяснению: «Эмбрион следует большой цели: он должен делиться от одной до тысячи клеток в очень короткий промежуток времени. Таким образом, было очевидно, что предложенный поверхностный механизм сам по себе не мог осуществить эту сегрегацию и что эмбрион должен был придумать какие-то другие механизмы, чтобы ускорить процесс». Именно это любознательное отношение молодого ученого в сочетании с междисциплинарной исследовательской культурой групп Гейзенберга и Ханнезо - способ научной работы, который особенно поощряется IST Austria, - позволило Шамипуру идентифицировать и проанализировать центральные клеточные процессы, которые могут иметь значение во многих областях. другие настройки и организмы.
Этот проект получил финансирование от Европейского Союза (Европейский исследовательский совет Advanced Grant) и от Австрийского научного фонда (FWF).