Первые моменты жизни разворачиваются с невероятной точностью. Теперь, используя математические инструменты и помощь плодовых мушек, исследователи из Принстона обнаружили новые данные о механизмах, лежащих в основе такой точности.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Cell, команда показала, что клетки определяют, где именно они должны быть и, следовательно, какими частями тела они станут, оптимизируя использование всей информации, доступной из генетического кода. Эта оптимизация позволяет каждой ячейке располагаться в пределах ширины одной ячейки, где она должна быть, вместо того, чтобы делать ошибки, которые позже исправляются.
Исследование также демонстрирует, что сложная биологическая система может работать в соответствии с математически оптимальным процессом. Команда смогла предсказать размещение клеток с точностью до 1 процента от их фактического местоположения по длине эмбриона, показав, что биологическое поведение можно рассчитать и предсказать на основе теоретических принципов.
«Информация, необходимая для определения точного местоположения клеток и, следовательно, тем, какими частями тела они станут, присутствует и используется на самых ранних стадиях развития плодовых мушек», - сказал Томас Грегор, доцент кафедры физики и исследовательского центра Льюиса. - Институт интегративной геномики Зиглера. «Это контрастирует с преобладающим мнением о том, что положение клеток со временем уточняется медленно».
«Теоретическая идея очень проста: каждая клетка использует всю информацию, которую она может выжать из соответствующих генов», - сказал Уильям Биалек, профессор физики Джона Арчибальда Уилера/Бателла и Университета Льюиса. - Институт интегративной геномики Зиглера.«Мы давно знаем, но не перестаем удивляться тому, что вся система невероятно точна, и именно этот факт побудил нас поверить, что клетки используют всю возможную информацию».
Клетки получают сигналы от генов или, точнее, от белковых молекул, которые эти гены производят. Но используют ли клетки всю информацию, чтобы сделать все правильно с первого раза? Или система грязная, с ошибками, которые исправляются до того, как эмбриону будет нанесен непоправимый вред?
Вопрос был именно тем типом масштабной проблемы, которую любит решать команда биологов и физиков, работающих вместе с начала 2000-х годов.
Благодаря предыдущей работе члена команды Эрика Вишауса, профессора молекулярной биологии Squibb и профессора молекулярной биологии Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера, ученые точно знают, какие гены и молекулы участвуют в создании полос на эмбриона, которые отмечают сегменты личинки мухи. Если что-то пойдет не так, полосы образуются не там, где нужно, или вообще не образуются.
«Эксперимент определяет первую по-настоящему количественную меру того, сколько информации доступно клеткам для принятия важных решений, связанных с развитием, и сколько этой информации они на самом деле используют», - сказал Вишаус, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза, получивший награду. Нобелевская премия 1995 года по физиологии и медицине за работу по генетическому контролю раннего эмбрионального развития.
«Это дает нам удивительный инструмент для понимания того, как на самом деле работает принятие решений в биологии, который полезен на разных уровнях, от того, как белки связываются с ДНК, до того, как возникают и конкурируют новые биологические пути в ходе эволюции», - он сказал.
Мариэла Петкова, соавтор исследования, была студенткой, работавшей в лаборатории Грегора, когда она занялась вопросом о том, как клетки используют генетическую и молекулярную информацию, чтобы определить свое местоположение и судьбу.
«Мы серьезно относимся к идее о том, что клетки развивающегося эмбриона должны «знать» свое положение, чтобы принимать правильные решения, связанные с развитием», - сказала Петкова, выпускница 2012 года. «Можно представить клетки как GPS-устройства, которые, вместо спутниковых сигналов собирайте молекулярные сигналы, чтобы выяснить их местоположение. Мы можем расшифровать, как такие молекулярные сигналы определяют положение по длине эмбриона ранней мухи».
Ученым давно известно, что полосы формируются в результате каскада шагов, который начинается с матери мухи, которая вкладывает в каждое яйцо набор инструкций, состоящий из трех различных видов сигнальных молекул.
Эти сигнальные молекулы распространяются по телу эмбриона, образуя градиенты концентрации, которые активируют четыре так называемых «гэп-гена». Экспрессия этих генов производит белковые молекулы, которые действуют на сегменты ДНК, известные как энхансеры, чтобы управлять генами «парного правила» для создания полосатого рисунка.
Петкова провела подробные измерения экспрессии гена разрыва и точного количества молекул, образующихся в клетках вдоль длинной оси тела. Она начала исследование в рамках своей дипломной работы, а затем на год отложила поступление в аспирантуру, чтобы продолжить работу над проектом. Она закончила работу во время перерыва в учебе по программе Гарвардского университета по биофизике.
Имея в руках эти измерения, теоретическая часть команды физики смогла смоделировать, как клетки используют информацию, чтобы найти свое место в эмбрионе. В команду входил соавтор Гашпер Ткачик, получивший докторскую степень. получил степень по физике в Принстоне в 2007 году и в настоящее время является преподавателем Австрийского института науки и технологий.
Существует множество способов, которыми клетки могут использовать информацию, закодированную в молекулах. Но исследователи предпочли предположить, что эмбрион использует всю доступную информацию, закодированную в молекулах. Они назвали это «оптимальным подходом к декодированию».
Исходя из этого предположения, Ткачик и Бялек использовали относительно простой математический подход, чтобы предсказать, где будут формироваться полосы. Затем команда сравнила предсказания с фактическими измерениями молекул промежутка и обнаружила, что они точно предсказали расположение полос.
Настоящее доказательство появилось, когда Петкова изучила яйца, отложенные мухами, у которых есть мутации в генах, кодирующих материнские сигнальные молекулы, находящиеся в начале каскада. Команда точно предсказала, как различные генные мутации изменили рисунок полос, например, заставив некоторые полосы исчезнуть или образоваться в неправильном месте.
«Мы использовали генетические манипуляции, чтобы перетасовать паттерны генов разрыва и «обмануть» клетки, заставив их «думать», что они находятся где-то еще по длине эмбриона», - сказала Петкова. «Мы пропустили эти перемешанные шаблоны через наш декодер и построили карты декодирования, которые сказали нам, где находятся клетки по сравнению с тем, где, по их мнению, они были. Используя эти карты, мы предсказали, где эмбрионы будут образовывать полосы. Когда мы посмотрели на эти мутантные эмбрионы под микроскопом, мы действительно обнаружили полосы в предсказанных местах! Это было очень приятно."
Исследование ставит вопрос о том, возможно ли делать надежные прогнозы о биологических системах, исходя из теоретических принципов, по мнению авторов.
«Это открытие дает нам, теоретикам, надежду на то, что наша работа в биологии не будет навсегда сводиться к подбору моделей на основе данных, а будет на самом деле прогнозировать и количественно понимать, почему эволюция пришла к определенным решениям», - сказал Ткачик. «Это обещает, по крайней мере, для нескольких примеров, что может существовать «предсказательная теория для биологии» - отличная мотивация для будущей работы».
Добавил Биалек: «Отличительной чертой современной физики является то, что общие теоретические принципы могут быть связаны с экспериментом в мельчайших количественных деталях», - сказал он.«Долгое время было трудно представить такого рода теорию - взаимодействие эксперимента в физике биологических систем - живые существа казались слишком сложными, слишком запутанными. Эта работа - один из сильнейших примеров сравнения теории и эксперимента, которые я видел. всегда надеялся, что мы доберемся до этого уровня, но я не знал, когда это произойдет."
Вишаус добавил: «Большинство ученых склонны думать, что биологические процессы по своей природе небрежны и что клетки достигают точности за счет множества корректирующих шагов и сложных интерактивных сетей. Такие процессы, безусловно, существуют. и воспроизводимая информация может быть на одном этапе развития, и как только эта информация появится, как эволюция и естественный отбор могут подтолкнуть клетки к максимально эффективному использованию этой информации».
Плодовая мушка (Drosophila melanogaster) часто используется для изучения общих принципов биологии, которые могут применяться к более сложным организмам, таким как человек. По словам Грегора, еще предстоит выяснить, придерживаются ли другие организмы, кроме плодовой мушки, такого оптимального использования информации.
«Это исследование дает нам представление о том, как генетические сети кодируют информацию, как сети работают вместе и как они выполняют вычисления, на которые способны», - сказал Грегор. «Существуют генетические сети, которые выполняют самые разные функции в биологии, так что это, безусловно, богатая область для дальнейших исследований».