Рыбки данио раскрывают, как биоэлектричество формирует развитие мышц
Новое исследование Университета Орегона описывает, как нервные и мышечные клетки общаются с помощью электрических сигналов во время развития — явление, известное как биоэлектричество.
Это общение, происходящее через специализированные каналы между клетками, жизненно важно для правильного развития и поведения. Исследование идентифицирует конкретные гены, контролирующие этот процесс, и определяет, что происходит, когда он нарушается.
Открытие дает ключи к пониманию генетических причин мышечных расстройств у людей и затрагивает давние вопросы биологии развития.
"Это то, о чем многие из нас задумывались долгие-долгие годы — и теперь мы это выяснили", — сказала нейробиолог Джудит Эйзен, которая в 1980-х годах заметила необъяснимую схему коммуникации между мышечными клетками рыбок данио.
Эйзен и ее коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной 26 июня в журнале Current Biology.
Мышечная загадка
В 1983 году Эйзен, будучи постдоком в лаборатории Монте Вестерфилда, использовала желтый трассирующий краситель для маркировки отдельных нервных клеток у данио. Часть красителя попала и в мышечные клетки.
Эйзен и Вестерфилд были заинтригованы тем, как краситель распространялся от клетки к клетке, что указывало на прямое сообщение между ними через физические соединительные каналы, а не через химические мессенджеры. Это не соответствовало пониманию того, как общаются взрослые мышечные клетки. Эйзен зарисовала увиденное в лабораторном блокноте, но тогда не было инструментов для дальнейшего изучения.
Рыбка, которая не могла плавать
Спустя десятилетия наблюдение Эйзен нашло отклик в лаборатории другого нейробиолога Университета Орегона, Адама Миллера, изучающего щелевые контакты (gap junctions) — физические каналы, позволяющие электрическим сигналам перемещаться непосредственно между клетками.
Постдок Рэйчел Лукович-Бедфорд, изучая данио с различными мутациями в генах щелевых контактов, обнаружила рыбку, которая не могла правильно двигать хвостом. Обычно эмбрион данио спонтанно подергивает хвостом, но эти рыбы этого не делали.
Эксперименты показали, что у здоровых данио можно наблюдать распространение электрических сигналов через щелевые контакты между мышечными клетками. У рыб с этой мутацией сигналы не проходили. Мутация нарушала электрическую коммуникацию между клетками через щелевые контакты.
Это нарушение коммуникации привело к неправильному развитию мышц. У обычной здоровой рыбки мышечные волокна прямые и упорядоченные. У мутантной рыбки они были морщинистыми и волнистыми, как крепированная бумага.
Исследователи связали это изменение с мутацией в конкретном гене. Они показали, что этот ген в норме создает каналы щелевых контактов между мышечными клетками, которые позволяют нервной системе координировать активность развивающихся мышц. Без соответствующей электрической сигнализации в нужное время развития мышечные волокна не могут правильно организоваться.
"Мы выяснили, что этот канал щелевого контакта является проводником — он позволяет электричеству от нервных клеток передаваться мышечным волокнам", — сказала Лукович-Бедфорд.
Это открытие отвечает на вопрос Эйзен, зарисованный десятилетия назад: желтый краситель перемещался между мышечными клетками из-за этих специфических каналов связи.
Значение для человека
Полученные данные могут помочь в понимании развития мышц у человека. При расстройствах, при которых мышцы развиваются неправильно, одной из причин могут быть дефектные каналы щелевых контактов, о чем ранее не было известно.
"Ген, который мы изучали в этой статье, — это не какой-то странный ген данио; он также есть у людей", — сказала Лукович-Бедфорд. — "Используя данио, мы можем изучить этот ген с практически неизвестной функцией у людей и понять, что он делает в контексте. Нам удалось раскрыть функцию гена, которая долгое время была неуловимой".
Исследование также показывает, что электрическая сигнализация между разными системами критически важна для развития. Подобная коммуникация, вероятно, играет роль и в развитии других систем организма.
"Передача биоэлектричества от одной системы органов к другой критически важна для развития и функции взрослого организма", — сказал Миллер. — "Поиск генов, которые позволяют этому происходить, понимание того, как они работают и что именно идет не так, когда коммуникация нарушена, даст новое понимание болезней человека".