Клетки в развивающейся ткани учитывают историю воздействия сигналов для определения положения
Исследователи из Калифорнийского технологического института предложили новую модель, которая отличается от широко принятой гипотезы о механизмах, с помощью которых развивающиеся животные формируют паттерны своих тканей и структур.
Клеткам в развивающемся организме необходима информация об их положении относительно других клеток, чтобы они могли приобрести специфические паттерны экспрессии генов и функционировать правильно. Наиболее принятая парадигма заключается в том, что эта позиционная информация поступает в форме химических сигналов, называемых морфогенами; морфогены распределены неравномерно в развивающемся поле, и клетки получают информацию о своем положении, «измеряя» и интерпретируя локальные концентрации морфогена.
Несмотря на идентификацию нескольких семейств морфогенов у многих организмов, гипотеза о том, что клетки по-разному реагируют на концентрации морфогена, в целом не была проверена напрямую.
Исследователи из Caltech под руководством доцента биологии Ангелики Статопулос использовали подход, сочетающий математическое моделирование и эксперименты по генетике развития, чтобы изучить механизмы, лежащие в основе формирования паттерна развивающегося крыла у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Они обнаружили, что клетки не могут приобрести множественные паттерны экспрессии генов, только измеряя локальную концентрацию морфогена.
«Во время метаморфоза ткани имагинальных дисков должны сформировать структуры, которые войдут в план строения взрослого организма», — объясняет Статопулос. Имагинальные диски — это части личинки насекомого, которые станут структурами взрослого организма. «Эта ткань имагинального диска пластична, в том смысле, что клетки все еще принимают решения о том, в какую часть органа им следует развиться. Решение о том, что эти клетки должны создать "часть тела X", уже принято, но как они определяют, создавать ли проксимальную или дистальную часть, или решают, какая сторона будет верхней или нижней? Здесь в игру вступают морфогены».
У плодовых мушек регуляторная молекула под названием Hedgehog предоставляет такую информацию вдоль передне-задней оси (от основания к кончику) развивающегося крыла. Для правильного формирования крыла клеткам вдоль этой оси необходимо «действовать», активируя сигнальный путь Hedgehog, хотя не все клетки делают это, говорит Статопулос.
«Мы обнаружили, что в развивающемся крыле плодовой мушки клетки приобретают позиционную информацию не только путем измерения концентрации морфогена Hedgehog в данный момент времени, а вместо этого им требуется информация об истории их воздействия», — говорит Маркос Нахмад, аспирант по направлению «Управление и динамические системы» в Caltech, совместно курируемый Статопулос и Джоном Дойлом. Нахмад — первый автор статьи об исследовании, соавтором которой является Статопулос, опубликованной 29 сентября в открытом онлайн-журнале PLoS Biology.
В своих экспериментах исследователи обнаружили свидетельства того, что определенные клетки получают сигнал Hedgehog только в течение короткого периода времени, и это кратковременное воздействие заставляет их приобрести паттерн экспрессии генов, отличный от паттерна других клеток, которые получают сигнал Hedgehog постоянно, и от тех, которые никогда его не получали.
В некотором смысле, говорит Статопулос, клетки способны «запомнить», что они подвергались воздействию морфогена. «Я имею в виду, что они помнят, что "видели" концентрацию морфогена, которая активировала внутри них сигнал. Даже если концентрация морфогена впоследствии снижается, клетки все еще сохраняют способность активировать путь».
«Захватывающий результат нашей модели заключается в том, что способность клеток реагировать на историю воздействия морфогена заложена в архитектуре генной сети, контролирующей формирование паттерна развивающегося крыла. Поскольку архитектура пути Hedgehog широко консервативна от мух до человека, этот механизм формирования паттерна может объяснить, как клетки в других развивающихся системах приобретают позиционную информацию», — говорит Нахмад.
«Как биологи развития, мы хотим понять, как определяется план строения тела и как разные животные демонстрируют разные формы и паттерны. Мы показали здесь, что важно учитывать временную последовательность событий», — говорит Статопулос.
«Динамика системы является инструктивной. В прошлом это в основном игнорировалось, потому что это слишком сложно. Люди формулировали модели, глядя на конечную точку. Мы считаем, что по этой причине, вероятно, было упущено еще больше информации о формировании паттернов», — добавляет она.
Источник: California Institute of Technology