Как жизнь определяет правильный размер: исследование на плодовых мушках
Ученые из Медицинского центра детской больницы Цинциннати раскрыли новые ключи к одной из главных загадок природы — как живые организмы растут до правильного размера с пропорциональными частями тела. Результаты исследования, опубликованные 26 марта в Nature Communications, показывают, что размер и точность формирования тела эмбриона плодовой мушки (Drosophila) зависят от количества репродуктивных ресурсов, которые мать вкладывает в яйцо еще до его выхода из яичника.
Вопрос пропорциональности
«Один из самых интригующих вопросов в развитии животных — это масштабирование, или пропорциональность разных частей тела», — пояснил старший автор работы Джун Ма, PhD. Цель исследования — понять, как достигается эта пропорциональность у разных видов, от мыши до слона.
Модель TEMS
Ученые разработали математическую модель TEMS (Tissue Expansion-Modulated Maternal Morphogen Scaling), чтобы связать ключевые этапы развития. Модель фокусируется на роли морфогена — белка, который формирует градиент концентрации вдоль оси эмбриона (например, от переднего к заднему концу) и «инструктирует» гены, где и какие части тела формировать. У плодовой мушки эту роль выполняет морфоген, производимый геном bicoid.
Ресурсы матери — ключ к размеру
Исследование показало, что размер эмбриона зависит от:
- Начального расширения ткани в яичнике матери (размера камеры яйца).
- Экспансии числа копий гена bicoid. Эти факторы определяют, насколько крупными станут 15 питающих клеток (nurse cells) в яичнике матери и сколько копий генома и mRNA они накопят. Весь этот запас ресурсов затем передается ооциту — будущей яйцеклетке.
Инвестиция и результат
Модель TEMS позволяет количественно оценить общий объем биологических «инвестиций» матери и предсказать, как они определят силу и устойчивость градиента морфогена bicoid. Проще говоря, большие инвестиции приводят к более крупным эмбрионам с хорошо пропорциональными частями тела.
Новая загадка
Ученые обнаружили интригующее сходство: пиковое число копий гена bicoid в питающих клетках матери напоминает пиковое число клеточных ядер в бластодерме (ранней стадии) эмбриона потомства. Это открытие ставит новые вопросы о фундаментальном смысле такого сходства и о том, как связь между материнскими ресурсами и развитием эмбриона формируется эволюцией.
Цель — системное понимание
В конечном счете, исследователи стремятся создать единую системную модель для понимания, количественной оценки и предсказания того, как формируются живые организмы, с перспективой применения этих знаний на благо человека.