Ритм развития: как время задержки сигнала формирует позвонки эмбриона

Исследователи из Японии выяснили, что точное время задержки межклеточной коммуникации критически важно для эмбрионального развития предпозвонковых сегментов. Новая методика визуализации в реальном времени на клетках мыши показала, что колебания активности часового гена Hes7 происходят с временной задержкой, что приводит к формированию позвонков, позвоночного столба и затылочной кости у позвоночных. Исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрывает, как контролируется и синхронизируется внутренняя коммуникация клеток в нормальном развитии.

Во время эмбрионального развития клетки, формирующие нервную и соединительную ткань, выстраиваются и начинают экспрессировать соответствующие гены. Этот процесс происходит с регулярным ритмом, известным биологам развития как сегментационные часы. Повторяющиеся структуры, образующиеся вдоль оси тела, дают начало позвонкам и ребрам.

Команда под руководством биолога развития Рёитиро Кагеямы из Института iCeMS Университета Киото установила систему для наблюдения динамики часовых генов в каждой клетке. Ученые сшили новый флуоресцентный белок с Hes7 и смогли наблюдать, как он колеблется внутри каждой клетки ткани, отмечая временную задержку.

Используя мышей с нормальным развитием и мышей, лишенных ключевого регулятора Lfng, исследователи выявили, что в сигнальном процессе, контролирующем нормальное развитие, существует временная задержка. Если Lfng отсутствует у отправителя сигнала, динамика внутри клеток не синхронизируется. Если Lfng отсутствует у получателя, колебания становятся меньше. В обоих случаях развитие нарушается. Мутации в гене Lfng у человека обнаруживают при врожденном сколиозе.

«Меня интересует важность "правильной" временной задержки в межклеточных коммуникациях — не слишком быстрой и не слишком медленной, — говорит Кагеяма. — Это контринтуитивно, ведь я просто думал, что быстрая коммуникация всегда лучше. Но полученные нами изображения в реальном времени показывают механизм контроля с временной задержкой в осцилляторных сетях, участвующих в развитии сегментов вдоль тела эмбриона. Это указывает, что межклеточная коммуникация с корректной временной задержкой необходима для нормального развития».

Исследование не только проливает свет на контроль времени в клеточной коммуникации, но и поднимает возможность того, что малые соединения, корректирующие механизм, могут быть использованы для лечения некоторых врожденных заболеваний. В более широком смысле, эта идея синхронизации, контролируемой задержкой, может быть применима к другим ритмическим явлениям в природе, таким как электрические и химические колебания.