Время решает все, когда речь идет об эмбриональном развитии предпозвонковых отделов тела эмбриона, считают исследователи из Японии. Новая методика визуализации в реальном времени в клетках мыши предполагает, что специфический «часовой ген» Hes7 колеблется с временной задержкой, чтобы дать начало позвонкам, позвоночнику и затылочной кости у позвоночных. Исследование, опубликованное в журнале Nature, проливает свет на то, как внутренние коммуникации клеток контролируются и синхронизируются при нормальном развитии, а также какие соединения в этом участвуют.
Во время эмбрионального развития клетки, формирующие нервную и соединительную ткани, выравниваются и начинают экспрессировать соответствующие гены. Процесс происходит с регулярным ритмом и известен биологам развития как часы сегментации. Образовавшиеся повторяющиеся структуры лежат вдоль оси тела и дают начало позвонкам и ребрам.
Биолог развития Рёичиро Кагеяма и его коллеги из Института интегрированных наук о клеточных материалах (iCeMS) Киотского университета хотели понять скоординированную динамику внутри клеток. До сих пор этот процесс изучался только на моментальных снимках - единичных изображениях клеток, а не на живых изображениях.
Команда создала систему для просмотра динамики часовых генов клетка за клеткой. Они объединили новый флуоресцентный белок с Hes7 и смогли наблюдать, как он колеблется в каждой клетке ткани, отмечая временную задержку. Используя мышей, которые развивались нормально, и других мышей, у которых утрачен ключевой регулятор Lfng, они обнаружили временную задержку в сигнальном процессе, контролирующем нормальное развитие. При отсутствии Lfng у отправителя сигнала динамика внутри ячеек не синхронизируется, а если у приемника нет Lfng, динамика становится меньше. В обоих случаях страдает развитие. Мутации в гене Lfng человека были обнаружены в случаях врожденного сколиоза.
«Меня интересует важность «правильной» временной задержки в межклеточных коммуникациях - не слишком быстрой и не слишком медленной», - говорит Кагеяма. «Это нелогично, так как я просто думал, что быстрая связь всегда была лучшей. Но живые изображения, которые мы сделали, показывают механизм управления временной задержкой колебательных сетей, участвующих в развивающихся делениях вдоль тела эмбриона. Это указывает на то, что межклеточная связь с правильной временной задержкой необходима для нормального развития».
Исследование проливает свет на то, как коммуникация внутри клеток контролируется и синхронизируется, а также повышает вероятность того, что наблюдаемые небольшие соединения, корректирующие механизм, также могут быть использованы для лечения некоторых врожденных заболеваний. В более широком смысле эта идея управляемой задержкой синхронизации может быть применима к другим ритмическим явлениям, наблюдаемым в различных других контекстах природы, таким как электрические и химические колебания.