Крошечный эмбриональный сигнал объясняет, как организм начинает строить себя

Фото из открытых источников

На ранних стадиях развития эмбриона масса слабо связанных между собой клеток должна рассортироваться, образуя нечто структурированное. Долгое время исследователи предполагали, что пусковым механизмом является простое скучивание – клетки плотнее упаковываются, пока ткань не затвердеет и не зафиксируется на месте.

Новое исследование ставит под сомнение это предположение. Оказалось, что сцепление между соседними клетками является гораздо более мощным фактором контроля, чем плотность, — и когда это сцепление превышало пороговое значение, клетки начинали формировать организованную ткань еще до того, как изменялась плотность упаковки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Биологи долгое время объясняли раннее развитие как считывание генетической информации, содержащейся в яйцеклетке. Николетта И. Петриду, руководитель группы в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Гейдельберге, Германия, видит пробел в этой теории.

Яйцеклетка содержит огромное количество генетических инструкций, но эта информация реализуется где-то в физическом мире — среди клеток, которые соприкасаются и прикрепляются друг к другу. 

«Реализация этой информации не ограничивается молекулярным уровнем», — говорит Петриду.

Ученые сосредоточили внимание на одном из таких свойств — клеточной адгезии, то есть силе сцепления между клетками. Они задали более глубокий вопрос: выполняет ли это сцепление какую-либо функцию, помимо удержания ткани вместе? Может ли оно также влиять на то, какой будет эта ткань в будущем?

Чтобы понаблюдать за этим процессом, исследователи обратились к рыбкам данио. Их эмбрионы достаточно четкие, чтобы снимать каждую клетку по отдельности. На ранних стадиях эмбрион представляет собой не более чем округлую кучу одинаковых, неспециализированных клеток.

В течение нескольких часов эта масса клеток сортируется по слоям, и клетки начинают выполнять различные функции. Это начало морфогенеза — превращения клеточного шара в тело с отдельными частями. Команда сосредоточила внимание именно на этом процессе.

Учёным уже было известно, что эмбриональная ткань может вести себя как в жидком, так и в твёрдом состоянии. Более ранние исследования показали, что эти изменения играют важную роль в формировании тела. В одном из таких исследований прослеживалось это изменение по мере того, как позвоночное животное растягивалось вдоль своей оси тела.

Что именно определяет состояние ткани, оставалось неясным. Выделялись два фактора: плотность упаковки клеток и прочность их сцепления. Оба фактора развиваются и исчезают одновременно, их трудно различить.

В своих предыдущих работах группа Петриду показала, что эмбрион рыбы проходит через резкую критическую точку, переходя из твердого состояния в жидкое и обратно. Они смоделировали ткань как сеть связанных клеток, наблюдая за тем, как она «заклинивает».

В новом исследовании адгезия между клетками рассматривалась как переменная, которую можно контролировать независимо, и было предсказано, что она может сама по себе активировать тот же механизм.

Они нашли два способа изменить упаковку, не касаясь клея. В одном из вариантов жидкость, заполняющая зазоры между ячейками, вытекала, еще сильнее сжимая их.

Выращенные по отдельности в виде фрагментов, эмбрионы накапливали избыток жидкости, в результате чего клетки расходились в стороны.

Спрессованный эмбрион продолжал двигаться и позволял своим клеткам перестраиваться, в то время как рыхлый фрагмент оставался неподвижным. Упаковка почти не влияла на показания датчика. За этим поведением следила сила сцепления.

Чтобы оценить сопротивление каждой ткани движению, команда применила вакуум с помощью стеклянной пипетки и наблюдала за потоком жидкости.

До настоящего времени никому не удавалось четко отделить упаковку от липкости в эмбрионе. Адгезия была основным контрольным параметром.

Дальше последовал еще больший сюрприз. Когда исследователи усилили слипание в рыхлой ткани — закрепив ее только за счет сцепления, — клетки не просто замерли. Они начали перестраиваться, образуя организованный слой.

Внутри ткани образовались заполненные жидкостью полости. Клетки, выстилающие каждую из них, перегруппировались, направляя специализированные белки на поверхность, обращенную к открытому пространству.

Это характерная черта эпителиальной ткани – слоистых образований, выстилающих кишечник.

Отчасти это стало возможным благодаря тому, что три клетки соединились, чтобы запечатать промежутки между собой, закрыв поры, через которые проникала жидкость. При определенном уровне сцепления промежутки оставались открытыми; при более высоком — резко закрывались.

Самое поразительное то, что не изменилось. Никаких добавленных генов. Никаких новых химических инструкций. Только более прочное сцепление между клетками – и это само по себе подтолкнуло ткань к построению структуры.

Для того чтобы управлять этими рычагами, не нарушая целостность всего остального, потребовались изобретательные инженерные решения. Команда разработала инструменты, активируемые светом, которые по команде увеличивали или уменьшали силу захвата клеток, просто направляя свет на эмбрион.

В одном из экспериментов они осветили только половину эмбриона. На освещенной стороне соединительный белок разрушился, и хватка ослабла, в то время как темная половина осталась нетронутой.

Сочетая использование световых инструментов с тщательными изменениями окружающей жидкости, они могли придавать тканям любое состояние — жидкое или твердое, рыхлое или плотно упакованное. Это позволяло получать генетически идентичные эмбрионы, отличающиеся лишь физическими характеристиками.

Картина стала четче, чем раньше. Физическое состояние ткани играет важную роль в ее развитии, и именно взаимодействие между клетками определяет ее. Если это взаимодействие превысить определенный порог, клетки начинают организовываться в структуру.

Эмбрионы рыб — это лишь отправная точка. Аналогичный фазовый переход наблюдается, когда раковые клетки ослабляют свою хватку, чтобы распространиться, а также при попытках выращивания тканей в лаборатории. Адгезия может стать новым инструментом для решения обеих задач.

Команда исследователей занимается еще одним направлением. В сопутствующем исследовании они обнаружили, что это же уплотнение подавляет химические сигналы, которые указывают клеткам, во что им превращаться. Похоже, физика и химия вместе пишут первые инструкции для организма.