Простой шар клеток является отправной точкой для людей и рыбок данио. Однако в конце эмбрионального развития рыба и человек выглядят совершенно по-разному. Биохимические сигналы в игре были тщательно изучены. С другой стороны, то, как механические силы формируют эмбрион, является предметом исследования Карла-Филиппа Гейзенберга, профессора Института науки и технологий Австрии (IST Austria), и его группы, включая первого автора и постдока Майкла Смутны. В своем исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Cell Biology, исследователи показывают, что трение между движущимися тканями создает силу. Эта сила формирует нервную систему эмбриона рыбки данио, популярной животной модели эмбрионального развития. «Мы показываем, что трение возникает в результате скольжения формирующихся тканей друг относительно друга, и что эта сила является ключевым механизмом регуляции морфогенеза во время развития эмбриона», - объясняет Карл-Филипп Гейзенберг.
По мере развития эмбриона клетки перемещаются, а ткани перестраиваются. Механические силы управляют этим морфогенезом. Однако до сих пор было плохо понято, как эти силы генерируются и интегрируются с другими сигналами. В настоящем исследовании Гейзенберг и его группа изучили механические силы, действующие при развитии центральной нервной системы (ЦНС) рыбок данио. Нервный зачаток, предшественник нервной трубки, развивается из одного из трех зародышевых листков, нейроэктодермы. Однако было показано, что два других зародышевых листка, мезодерма и энтодерма, имеют решающее значение для правильного морфогенеза нейроэктодермы. При развитии нервной закладки зародышевые листки шаровидного зародыша движутся в противоположных направлениях. Мезодерма и энтодерма, также называемые вместе мезэнтодермой, перемещаются к одному полюсу зародыша, так называемому анимальному полюсу, в то время как покрывающая их нейроэктодерма скользит по ним, чтобы двигаться к противоположному полюсу, вегетативному полюсу.
Гейзенберг и его группа обнаружили, что это движение важно для правильного позиционирования нервных закладок. По мере того как ткани скользят друг относительно друга, клетки нейроэктодермы, формирующие нервную закладку, меняют направление своего движения. Они меняют направление и движутся к анимальному полюсу в том же направлении, что и основная мезэнтодерма. Исследователи обнаружили, что у эмбрионов, у которых мезэнтодерма отсутствует, эти клетки нейроэктодермы не переориентируются. Вместо этого все клетки нейроэктодермы перемещаются к вегетативному полюсу, и нервная закладка располагается неправильно. Когда клетки мезэнтодермы двигаются медленнее, чем обычно, нервная закладка также оказывается в неправильном положении.
Теперь, чтобы выяснить, что лежит в основе механизма, исследователи построили теоретическую модель, основанную на их наблюдениях. Путем моделирования сил, действующих в эмбрионе, они обнаружили, что движение нейроэктодермы против мезэнтодермы вызывает возникновение трения. Майкл Смутный объясняет, как возникает трение: «Когда ткани скользят друг относительно друга, возникает трение, похожее на то, когда вы трете воздушный шар о свитер. В случае эмбриона рыбки данио ткани контактируют друг с другом напрямую через Е-кадгерин, белок, который выходит из клеток. Когда эти линкерные белки трутся друг о друга, между тканями возникает трение».
Ученые подтвердили важность Е-кадгерина, перестроив систему в лаборатории: они культивировали слой клеток эктодермы в чашке и двигали его в одном направлении, а бусинку, покрытую Е-кадгерином, проталкивали в другую сторону. противоположное направление. В результате клетки эктодермы переориентируются так же, как это наблюдается у зародыша. Это открытие, что клетки мезэнтодермы непосредственно влияют на движение клеток нейроэктодермы посредством сил трения, впервые показывает, что трение является ключевым регулятором морфогенеза тканей у эмбрионов.
Дефекты морфогенеза нейроэктодермы являются одним из наиболее распространенных врожденных дефектов у людей. Тот факт, что силы трения, возникающие на границе между формирующимся зародышевым листком, играют ключевую роль в морфогенезе нейроэктодермы, указывает на ранее неизвестный механизм, который может лежать в основе этих врожденных дефектов.