Ученые из Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и Гарвардской медицинской школы выяснили, как в случае формирования конечностей электрические паттерны, сформированные внутри эмбриона, инициируют каскад молекулярных изменений, кульминацией которых является развитие хрящей и костей.. Исследование, опубликованное сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), помогает ответить на центральный вопрос биологии развития: «Как незрелые клетки в развивающемся эмбрионе дифференцируются и организуются в тело?»
Предыдущие исследования показали удивительные электрические закономерности в развивающихся эмбрионах, некоторые из которых действуют как чертежи тканей и органов, которые в конечном итоге приобретают форму по мере созревания эмбриона. Электрические узоры создаются клетками, перекачивающими заряженные ионы в клеточную мембрану и из нее, создавая потенциал напряжения через мембранный барьер. По аналогии с клетками нервной системы потенциалы мембранного напряжения распространяются через электрические синапсы и предоставляют клеткам возможность общаться со своими соседями и координировать свою деятельность.
Новое исследование, проведенное на эмбрионах мышей и кур, демонстрирует, что потенциалозависимый кальциевый канал (VGCC), встроенный в клеточную мембрану и запускаемый напряжением, позволяет ионам кальция (Ca2+) течь в клетку, устанавливает от экспрессии генов, которые направляют дифференцировку в зрелые клетки.
Известно, что потенциалзависимые ионные каналы играют роль в формировании хрящей трахеи, а мутации в VGCC также коррелируют с пороками развития у людей, включая синдактилию (слияние пальцев) у пациентов с синдромом Тимоти. Теперь исследование указывает на роль VGCC в «считывании» биоэлектрических паттернов эмбриона, чтобы настроить механизм экспрессии генов и белков для развития тела.
Исследователи изучили развивающиеся конечности как мышей, так и куриных эмбрионов и обнаружили, что, хотя зачаток конечности изначально гиперполяризован, и в 1000 раз больше ионов кальция снаружи клеток, чем внутри, ядро растущей конечности становится деполяризованным по мере того, как хрящевые формы; (ионы кальция проникают в клетки, чтобы нейтрализовать напряжение). Они обнаружили, что деполяризация опосредована VGCC, позволяя ионам кальция течь внутрь, что, в свою очередь, активирует генетический фактор транскрипции, называемый NFATc1, который, в свою очередь, инициирует экспрессию других генов, необходимых для дифференцировки в зрелые хрящевые клетки. Было обнаружено, что изученный VCGG (Cav1.2) необходим для нормального формирования хряща, в то время как было подтверждено, что NFATc1 способствует дифференцировке хрящевых клеток in vitro.
Глядя на роль Cav1.2, исследователи обнаружили, что он в первую очередь играет роль на ранних стадиях дифференцировки клеток в хрящи. Другие VGCC могут быть задействованы на более поздних стадиях развития, а другие факторы транскрипции могут быть активированы увеличением внутриклеточного кальция в процессе формирования хрящей и костей.
Ясно, что, хотя мы обнаружили существенную роль потенциалзависимых кальциевых каналов в считывании биоэлектрического паттерна эмбриона, нам нужно будет продолжить работу, чтобы понять роль многих различных ионных каналов и генетических факторов на всех стадиях развития. развития», - сказал Клифф Табин, сотрудник Центра открытий Аллена в Тафтсе и председатель отдела генетики Института Блаватника Гарвардской медицинской школы.
"Мы только начинаем понимать, как "программное обеспечение" эмбрионального развития (электрические паттерны) создается и интерпретируется "аппаратными средствами" (клеточными генами и белками), чтобы клетки могли сотрудничать и организовываться. в сильно структурированное тело», - сказал Майкл Левин, профессор биологии Ванневара Буша в Школе искусств и наук и директор Центра открытий Аллена в Тафтсе.«Наше сотрудничество с группой генетиков в лаборатории Табина расширяет эту область до очень важной модели, конечности позвоночного, и является отличной демонстрацией того, как мы лучше понимаем физику в биологии».
Другие авторы исследования: Юдзи Ацута, первый автор и научный сотрудник, и Рэйко Томидзава, техник-исследователь, оба в лаборатории Табина.