Две клеточные асимметрии управляют формированием трёхмерных структур тканей
Учёные разработали математическую модель, показывающую, что два типа клеточной асимметрии, или «полярности», управляют формированием клеток в листы и трубки. Исследование опубликовано в eLife.
Эта работа — значительный шаг в понимании процессов, позволяющих одной клетке развиться в целый организм. Она также может помочь понять, что происходит, когда клетки приобретают или теряют полярность при таких заболеваниях, как рак.
Многоклеточные организмы формируют сложные структуры тканей и органов и могут точно воспроизводить их после повреждения. Для этого требуется преобразование листов, образованных группами делящихся и взаимодействующих клеток. Хотя многое известно о промежуточных этапах развития и регенерации, остаётся неясным, как тысячи клеток совместно «определяют», какие формы им нужно создать.
Известно два типа полярности, влияющих на организацию клеток в ткани, и они ориентированы под прямым углом друг к другу:
- Апикально-базальная полярность — определяет внутреннюю и внешнюю стороны, например, кожи.
- Планарная клеточная полярность — отвечает за направление, например, роста волос на коже.
«Мы хотели увидеть, как клетки организуются в складчатые листы и трубки, и как этот процесс может так точно воспроизводиться», — говорит ведущий автор Силас Бойе Ниссен, аспирант Центра принятия решений стволовыми клетками (StemPhys) Копенгагенского университета (Дания). — «Чтобы ответить на этот вопрос, мы создали математический инструмент, моделирующий эти два типа клеточной полярности, и смоделировали, как множество клеток самоорганизуется в складчатые листы и органы».
Оказалось, что изменение всего одного из двух типов полярности в модели позволяет симулировать огромное разнообразие форм. На различия в формах влияли два фактора:
- Исходное расположение клеток.
- Внешние границы (например, форма яйца, влияющая на развитие эмбриона).
Исследуя множество теоретических сценариев с изменением полярности, модель позволила сузить круг теорий для экспериментальной проверки. Например, для панкреатических органоидов (упрощённых версий органов, выращенных в лаборатории) модель предсказала, что быстрый несбалансированный рост клеток приведёт к образованию множества мелких складок. Однако большее внешнее давление со стороны среды, в которой растут органоиды, вызовет формирование меньшего количества более глубоких и длинных складок.
«Наши результаты углубляют понимание того, как свойства отдельных клеток приводят к различиям в формах, создаваемых тысячами клеток», — отмечает соавтор, профессор Ким Снеппен, директор Центра моделей жизни (CMOL) Копенгагенского университета.
«Эта работа предполагает, что для формирования частей тела могут не требоваться детальные инструкции. Вместо этого они могут возникать по мере того, как клетки следуют нескольким простым правилам, — заключает соавтор Ала Трусина, доцент StemPhys и CMOL. — Теперь мы можем изучить, что происходит, если клетки приобретают или теряют полярность в неподходящее время и месте, как это часто бывает при раке».