Ключевой механизм контроля позволяет клеткам формировать ткани и анатомические структуры в развивающемся эмбрионе
Исследователи из Гарвардской медицинской школы и Института науки и технологий (IST) Австрии обнаружили ключевой механизм контроля, который клетки используют для самоорганизации на ранних стадиях эмбрионального развития. Результаты, опубликованные в Science 2 октября, проливают свет на фундаментальный для многоклеточной жизни процесс — морфогенез.
Изучая формирование спинного мозга у эмбрионов рыбки данио-рерио, команда под руководством Шона Мегасона выявила, что разные типы клеток экспрессируют уникальные комбинации молекул адгезии для самоорганизации. Эти «коды адгезии» определяют, какие клетки предпочитают оставаться связанными и насколько сильно, даже во время масштабных клеточных перестроек в развивающемся эмбрионе.
Взаимодействие морфогенов и адгезии
Исследователи обнаружили, что коды адгезии регулируются морфогенами — главными сигнальными молекулами, которые, как давно известно, управляют судьбой клеток и формированием паттернов. Это говорит о том, что взаимодействие морфогенов и свойств адгезии позволяет клеткам организовываться с точностью, необходимой для построения организма.
«Морфоген не только контролирует судьбу клетки, он контролирует клеточную адгезию», — сказал Мегасон. — «Модель "французского флага" дает грубый набросок, а дифференциальная адгезия затем формирует точный паттерн».
Экспериментальное подтверждение
Для проверки гипотезы дифференциальной адгезии (предложенной более 50 лет назад) команда разработала метод измерения силы, с которой клетки прилипают друг к другу. С помощью двух микропипеток с точно контролируемым давлением они измеряли усилие, необходимое для разъединения двух клеток.
Изучая три типа клеток-предшественников нейронов в спинном мозге эмбрионов данио-рерио, они обнаружили, что клетки одного типа сильно и предпочтительно прилипают друг к другу.
Молекулярный «код»
Анализ экспрессии генов с помощью single-cell RNA sequencing и последующее отключение кандидатов с помощью CRISPR-Cas9 выявили три ключевых гена: N-cadherin, cadherin 11 и protocadherin 19. Их различная комбинация и уровень экспрессии создавали уникальный для каждого типа клеток «код адгезии», определяющий предпочтения в связывании.
«Клетки используют этот код, чтобы предпочтительно прилипать к клеткам своего типа, что позволяет разным типам клеток разделяться при формировании паттерна», — пояснил ведущий автор Тони Цай.
Значение для науки и медицины
Понимание этих процессов может помочь в обратном проектировании фундаментальных механизмов, с помощью которых одна клетка строит целый организм. Это имеет значение для биотехнологии, особенно для создания искусственных тканей и органов для трансплантации.
«Проблема тканевой инженерии сейчас в том, что мы просто не знаем лежащей в основе науки», — отметил Мегасон. — «Наша цель — выяснить, каковы эти правила для эмбриона».