Клетки «быстро встречаются», чтобы найти своих соседей при формировании тканей

Фото из открытых источников

В процессе развития сердца клетки перемещаются, натыкаясь друг на друга, чтобы найти свое место, и ставки высоки: соединение с неправильной клеткой может означать разницу между бьющимся сердцем и остановившимся.

Исследование, опубликованное в Biophysical Journal, демонстрирует, как клетки сердца осуществляют этот процесс «подбора». Исследователи моделируют сложные движения этих клеток и предсказывают, как генетические вариации могут нарушить процесс развития сердца у плодовых мушек.

И у людей, и у плодовых мушек ткани сердца возникают из двух отдельных областей эмбриона, которые изначально находятся далеко друг от друга. По мере развития эти клетки перемещаются навстречу друг другу, в конечном итоге сливаясь в трубчатую форму, которая станет сердцем. Для правильного развития сердца эти клетки должны точно выровняться и спариться.

«Когда клетки объединяются, они двигаются и приспосабливаются, и каким-то образом всегда в конечном итоге соединяются с клеткой сердца того же типа», — говорит ведущий автор исследования Тимоти Сондерс из Уорикского университета. Это наблюдение вдохновило команду на изучение того, как клетки изначально сопоставляются и как они узнают, что нашли правильное соответствие.

Развивающиеся клетки сердца имеют выступы, похожие на щупальца, называемые филоподиями, которые зондируют и захватывают потенциальных партнеров. Предыдущая работа Сондерса показала, что белки создают волны, которые разделяют несоответствующие клетки, давая им еще один шанс найти подходящую пару.

«По сути, это похоже на то, как если бы клетки были участниками быстрых свиданий», — говорит Сондерс. «У них есть всего несколько мгновений, чтобы определить, подходят ли они друг другу, а молекулярные «друзья» готовы разлучить их, если они несовместимы».

Исследователи обнаружили, что клетки сердца ищут стабильности там, где они остаются максимально приближенными к неподвижности — подобно катящемуся шару, который в конечном итоге останавливается, что в физике называется энергетическим равновесием.

В развивающихся клетках сердца этот принцип применяется, когда клетки находят баланс между силами связи и своей способностью приспосабливаться к деформации, также известной как адгезионная энергия и эластичность. На основе этого наблюдения команда разработала модель, которая показывает, как клетки могут самоорганизовываться.

Затем команда протестировала свою модель на сердцах плодовых мушек с мутациями и смещениями. Вычислив энергию адгезии между различными типами клеток и оценив эластичность тканей, модель предсказала, как клетки будут сопоставляться и перестраиваться.

«Хотя это случается редко, иногда сердечная трубка оказывается с одной клеткой на одной стороне, когда должно быть две, или с двумя клетками, когда должно быть четыре», — говорит Сондерс. «Мы могли бы ввести эти несовершенства в модель и запустить ее». Модель дала результаты, которые очень точно отражали то, что наблюдалось у реальных эмбрионов.

Команда отмечает, что их модель не только расширяет наше понимание того, как клетки сопоставляются и выравниваются во время развития сердца, но и имеет более широкое применение. Подобные процессы сопоставления клеток имеют решающее значение в нейронных связях, заживлении ран и развитии лица, где икота может привести к таким состояниям, как заячья губа.

«По сути, мы применяем цифры к биологическим процессам, чтобы объяснить то, что мы наблюдаем», — добавляет Сондерс.