Модель клеток раскрывает динамическую природу часов сегментации, управляющих формированием позвонков

Позвоночник, подобно нити жемчуга, состоит из серии похожих позвонков. Так называемые часы сегментации создают это повторяющееся расположение в развивающихся эмбрионах: каждый "тик" часов запускает формирование нового позвонка.

В статье, опубликованной 21 сентября в журнале Cell, профессор генетики Гарвардской медицинской школы Оливье Пуркье (чья лаборатория открыла часы сегментации 20 лет назад) и его коллеги сообщают, что им впервые удалось воссоздать стабильную версию этого механизма в чашке Петри, используя мышиные клетки. Это привело к нескольким новым открытиям о том, где находятся часы, что заставляет их "тикать" и как формируется позвоночный столб.

Исследователи обнаружили, что часы сегментации находятся в спящем состоянии в отдельных эмбриональных клетках-предшественниках позвонков, а затем включаются одновременно, коллективно, когда клетки достигают критической массы.

Также было установлено, что работой часов управляют два сигнала — Notch и Yap, которые эти клетки отправляют и получают.

• Notch самостоятельно запускает "тики" часов, вызывая клеточные колебания, которые высвобождают инструкции для построения структур, в конечном итоге становящихся позвонками.
• Однако Yap определяет количество Notch, необходимое для активации часов сегментации. Это создает порог возбудимости:
  • Если уровень Yap очень низкий, часы работают самостоятельно.
  • При среднем уровне Yap для запуска часов необходим сигнал Notch.
  • Если уровень Yap высокий, даже большое количество Notch не заставит часы "тикать".

"Если вы стимулируете систему немного, ничего не происходит. Но если вы стимулируете её чуть больше и пересекаете порог, тогда система дает очень сильный ответ", — пояснил Пуркье.

Исследователи предполагают, что часы сегментации работают подобно другим возбудимым биологическим системам, требующим достижения определенного порога для запуска действия, таким как возбуждение нейронов или распространение кальциевых волн по клеткам сердца.

Учёные были удивлены, обнаружив, что могут останавливать и перезапускать часы сегментации несколькими способами: физически (разделяя и повторно агрегируя клетки) и химически (с помощью препарата, блокирующего Yap).

"Много лет мы пытались понять механизм, лежащий в основе этих колебаний. Теперь у нас есть отличная теоретическая основа, чтобы понять, что их генерирует, и помочь нам создавать и проверять новые гипотезы", — сказал Пуркье.

Эти открытия не только проливают свет на нормальное развитие позвоночных, но и могут привести к лучшему пониманию дефектов позвоночника у человека, таких как сколиоз.