Как разные клетки в многоклеточном организме обретают свою идентичность, остается фундаментальной загадкой развития. В глазу, например, хрусталик содержит два типа клеток - клетки эпителия хрусталика и клетки волокон хрусталика, - первый из которых дифференцируется во второй по мере взросления животного. Ученым давно известно, что фактор роста фибробластов, или FGF, действует как главная педаль газа в этом процессе. Теперь ученые из Окинавского института науки и технологии последипломного университета (OIST) обнаружили, что другой молекулярный сигнал действует как педаль тормоза, не позволяя клеткам дифференцироваться там, где они не должны.
Команда провела свои эксперименты с рыбками данио, структура глаз которых в основном консервативна у позвоночных, включая человека. Их результаты, опубликованные 15 октября 2018 года в журнале Development, дают новое представление о сложном процессе дифференцировки клеток.
«Ученым любопытно узнать, как такая элегантная структура создается генетической программой», - сказал профессор Ичиро Масаи, главный исследователь отдела нейробиологии развития в OIST.
Помимо демистификации развития хрусталика, исследование может когда-нибудь помочь выявить патологию, стоящую за вторичной катарактой, наиболее частым осложнением операции по удалению катаракты у человека.
Дополнение к известным регуляторам
Сферическая линза в основном состоит из клеток волокон линзы, расположенных в плотно упакованном ядре. Эпителиальные клетки хрусталика покрывают наружную поверхность передней половины хрусталика, обращенную наружу от тела. По мере пролиферации клеток эпителия хрусталика они мигрируют назад, дифференцируются в клетки волокон хрусталика и интегрируются в существующую сердцевину волокон хрусталика.
Переключение с одного типа клеток на другой происходит во время этой миграции, когда эпителиальные клетки пересекают четкую границу, известную как «экватор». Молекулярные сигналы заставляют клетки дифференцироваться в клетки волокон хрусталика, как только они пересекают эту линию. Одним из важнейших сигналов является FGF. В то время как FGF усиливает дифференцировку волокон хрусталика, Масаи задался вопросом, существует ли дополнительная система, которая подавляет его.
«Переключение с эпителиальных на волокнистые клетки происходит очень точно на экваторе - я подумал, что должен быть какой-то механизм настройки, обеспечивающий начало специфического для экватора», - сказал Масаи. «Возможно, когда эпителиальные клетки пересекают экватор, они освобождаются от этого тормозящего механизма и получают возможность дифференцироваться."
Исследователи из отдела нейробиологии развития OIST поддерживают живую библиотеку мутантных рыбок данио для подобных исследований. Среди сотен мутантов они выбрали одного с уникальным аномальным развитием хрусталика. Эпителиальные клетки хрусталика обычно выстраиваются в один непрерывный слой, но у мутантов клетки накапливаются беспорядочно. Это связано с тем, что мутировавший ген заставляет эпителиальные клетки хрусталика дифференцироваться независимо от воздействия FGF и без необходимости пересекать экватор.
Ген обычно кодирует белок, известный как «белок 45, ассоциированный с сортировкой вакуолярных белков», или VPS45. VPS45 помогает перемещать поступающие материалы через клетку, направляя их в специализированные органеллы для деградации или обратно в клеточную мембрану для переработки. Недавние исследования показывают, что эта система трафика модулирует сигнальные пути внутри клетки, которые, в свою очередь, регулируют процессы развития.
Когда ген мутирует, нормальное развитие хрусталика нарушается. Специфические сигналы, поддерживающие эпителиальные клетки хрусталика, подавляются, в то время как сигналы, способствующие дифференцировке волокнистых клеток, усиливаются.
Применение в фундаментальной биологии и хирургии катаракты
Исследование Масаи является первым, в котором описан механизм дифференцировки волокон хрусталика, не зависящий от ФРФ. Теперь он и его коллеги стремятся лучше понять, как VPS45 регулирует передачу клеточных сигналов в развивающемся хрусталике и как эти сигналы работают вместе, чтобы поддерживать здоровое развитие. Их исследования могут в конечном итоге привести к медицинскому вмешательству, когда процесс пойдет наперекосяк.
В новом исследовании, например, ученые обнаружили, что сигнальный путь, называемый TGF-ß, усилился у мутантных рыбок данио и вызвал аномальное развитие хрусталика. Также было показано, что передача сигналов TGF-ß способствует вторичной катаракте, но ученые пока не понимают, почему.
Во время операции по удалению катаракты помутневший хрусталик пациента заменяют искусственным. Операция восстанавливает зрение пациента, но также может вызвать врожденную реакцию заживления в эпителиальных клетках хрусталика. Пытаясь залечить рану, клетки превращаются в миофибробластические клетки или клетки волокон хрусталика и, следовательно, затуманивают совершенно новый хрусталик пациента. Благодаря более глубокому пониманию факторов, влияющих на развитие хрусталика, ученые смогут предотвратить вторичную катаракту до того, как она появится.
«Как только мы поймем этот основной механизм, - сказал Масаи, - мы сможем разработать терапию для подавления патологического процесса вторичной катаракты».