Оптический переключатель освещает развитие клеток
Исследователи из Принстонского университета, объединив свет и белок, связанный с раком, создали биологический переключатель для беспрецедентного изучения клеточного развития в эмбрионе.
Исследование, опубликованное 2 декабря в Proceedings of the National Academy of Sciences, поможет экспертам установить точные причинно-следственные связи в одной из самых фундаментальных систем жизни — превращении аморфного эмбриона в полностью сформированный организм. Как неопределённая клетка «знает», что ей стать частью ногтя, а не ствола мозга? Учёные плохо понимают этот процесс, но знают, что он централен для понимания болезней и развития.
Алина Патель, первый автор исследования, отметила, что когда сигналы срабатывают неправильно, возникает множество проблем, включая нарушения развития и, позже, предпосылки рака. «Мы хотим понять, как эти мутации нарушают не только сети взаимодействий внутри клеток, но и строго регулируемые процессы развития во всём эмбрионе», — сказала она.
Новая методика может быть широко применена для изучения этих взаимодействий. Например, если текущая работа фокусируется на времени сигнала, будущие исследования могут изучать пространственные паттерны.
В серии экспериментов исследователи воздействовали на белки в развивающихся рыбках данио-рерио целенаправленным импульсом света (метод оптогенетики), переводя белки в активированное состояние. Каждый активированный белок затем отправлял химические сигналы по заданному пути в центр клетки. В нормальном развитии эти сигналы активируются в строго определённое время и место. Но учёные включали переключатель не в той последовательности и на длительные интервалы, «затопляя» клетку её собственным сигналом и отслеживая последствия.
«Я просто использую то, что уже есть в природе, её дизайн», — сказала Патель.
Команда сосредоточилась на цепочке химических сигналов под названием ERK-путь — одном из немногих сигнальных путей, сохранившихся за 3,5 миллиарда лет естественного отбора. Огромное количество нарушений развития возникает из-за ранних проблем в человеческом ERK-пути, включая врождённые пороки сердца, аутоиммунные синдромы, скелетные мальформации и эпилепсию. Когда проблемы ERK-пути возникают во взрослых клетках, они могут привести к злокачественным опухолям.
Поскольку ERK-путь существует почти у всех многоклеточных организмов, учёные считают его частью универсальной системы межклеточной коммуникации. Его изучение на рыбках данио-рерио многое раскрывает и о человеке.
«Мы выбираем проблемы, решение которых кажется возможным», — сказал профессор Станислав Шварцман, со-руководитель исследования. «Нам не нужно начинать с жирафа или тигра».
Даже с точными инструментами и относительно простым организмом исследователи столкнулись с трудностями при создании рабочей системы для изучения ERK-пути. Патель знала, что может активировать нужный белок, но последующие события было трудно расшифровать. Столкнувшись со слабой активацией, она заменила нормальный белок на мутированную форму, известную своей связью с раком. Это позволило ей настраивать и усиливать сигнал, облегчая установление причинно-следственных связей в «шумной» клетке. Так она адаптировала оптогенетический инструмент, заимствованный из работ на клеточных культурах, для использования в рыбках данио-рерио — идеальном виде для изучения эмбрионов.
«Это напоминает нам, что контекст важен, и сигналинг в развивающемся организме регулируется иначе, чем в чашке Петри», — сказала со-руководитель исследования Ребекка Бёрдайн. «Возможность использовать мутации для настройки активности киназы, высвобождаемой светом, — это, насколько я знаю, новая концепция, которая будет очень полезна при создании и использовании таких инструментов в будущих исследованиях».