Активный баланс двух белков обеспечивает пропорциональное развитие эмбрионов

На ранних стадиях развития эмбрион устанавливает различные оси, определяющие симметрию взрослого организма. Например, паттернирование дорсальной (спинной) и вентральной (брюшной) поверхностей управляет формированием спины и брюха. Существуют механизмы развития, регулирующие это паттернирование для обеспечения пропорционального развития частей тела, но их точная работа оставалась неясной. Ёсики Сасаи, Хидэхико Иномата и коллеги из Центра биологии развития RIKEN выяснили, как поддерживается масштабирование дорсально-вентральной (DV) оси у африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis.

Клеточная группа, известная как организатор Шпемана, устанавливает «дорсальность» эмбриона, секретируя белок Хордин, который ингибирует сигналы, инициирующие развитие вентральных тканей. Известно, что действие Хордина строго ограничено дорсальной областью. «Если эмбрион Xenopus разделить на дорсальную и вентральную половины, дорсальная половина все равно даст хорошо пропорциональный эмбрион половинного размера», — объясняет Иномата. Однако механизм, ответственный за локализацию эффекта Хордина, ранее был неизвестен.

Исследователи провели серию экспериментов, чтобы понять, как Xenopus устанавливает эту DV-границу. Хордин естественным образом деградирует протеазами, распределенными по всему раннему эмбриону. Эти протеазы избирательно ингибируются другим белком — Сиззледом. Ученые обнаружили, что зона действия Хордина определяется расстоянием, на котором Сиззлед может блокировать активность протеаз.

Сиззленд в основном продуцируется на вентральном полюсе эмбриона тем же «вентрализующим» сигналом, который выключается Хордином. Это создает критическую петлю обратной связи: Хордин действует только в клетках, где присутствует Сиззлед, но Сиззлед производится только в клетках, где уровень Хордина низок. Таким образом, DV-граница устанавливается в тех клетках, где Хордин предотвращает дальнейшее производство Сиззледа, а низкий уровень Сиззледа предотвращает дальнейшую диффузию Хордина. Независимо от размера эмбриона, эта граница надежно масштабируется в зависимости от расстояния от организатора до вентрального полюса. «Наши результаты показывают, что динамическое состояние накопления белка Сиззлед передает информацию о размере тела для масштабирования», — говорит Иномата.

Хотя эти находки решают важную загадку развития, эмбрион лягушки лишен важных элементов сложности, присутствующих у других видов позвоночных. «Во время раннего развития Xenopus размер эмбриона почти не меняется, но у многих животных эмбрион увеличивается и динамически меняет размер», — отмечает Иномата. «Мы хотели бы проверить, применима ли наша модель масштабирования к этому типу растущего поля развития».