Исследование: развивающиеся организмы могут распознавать и исправлять аномалии головы и лица
Биологи-эмбриологи из Университета Тафтса обнаружили «самокорректирующийся» механизм, с помощью которого развивающиеся организмы распознают и исправляют аномалии головы и лица. Это первый случай, когда такой механизм описан для лица, и первый раз, когда подобный гибкий корректирующий процесс был тщательно проанализирован с помощью математического моделирования.
Исследование, опубликованное в майском выпуске журнала Developmental Dynamics за 2012 год, использовало модель головастика, чтобы показать, что развивающиеся организмы не являются генетически «запрограммированными» на набор предопределенных движений клеток, приводящих к нормальным чертам лица. Вместо этого процесс развития более адаптивен и устойчив. Группы клеток способны измерять свою форму и положение относительно других органов и выполнять движения и ремоделирование, необходимые для компенсации значительных аномалий паттерна.
«Большой вопрос всегда заключался в том, как сложные формы, такие как лицо или весь эмбрион, собираются сами? Мы обнаружили, что когда мы создавали дефекты на лице экспериментально, лицевые структуры перемещались различными способами и в основном оказывались в правильных положениях», — сказал Майкл Левин, старший автор статьи и директор Центра регенеративной и биологии развития Школы искусств и наук Университета Тафтса.
Предыдущие исследования обнаруживали самокорректирующиеся механизмы в других эмбриональных процессах — хотя никогда в лице — но такие механизмы не подвергались математическому анализу для понимания точной динамики корректирующего процесса.
«То, чего не хватало в предыдущих исследованиях — и, насколько нам известно, никогда не делалось на животной модели — это точно отслеживать эти изменения во времени и количественно сравнивать их», — сказала первый автор Лора Ванденберг, научный сотрудник Центра.
Биологи из Тафтса индуцировали черепно-лицевые дефекты у эмбрионов лягушки Xenopus, вводя специфическую mRNA в одну клетку на двухклеточной стадии развития; это привело к аномальным структурам на одной стороне эмбрионов. Затем они охарактеризовали изменения формы и положения черепно-лицевых структур, таких как челюсти, жаберные дуги, глаза, слуховые капсулы и обонятельные ямки, с помощью «геометрического морфометрического анализа», который измерял положение в общей сложности 32 ориентиров на верхней и нижней сторонах головастиков.
Снимки головастиков, сделанные с точными интервалами, показали, что по мере их старения черепно-лицевые аномалии, или нарушения, становились менее заметными. Это было особенно верно для челюстей и жаберных дуг. Ткани глаза и носа со временем становились более нормальными, но их способность достичь полностью ожидаемой формы и положения различалась.
В отличие от нормального развития, исследовательская группа Тафтса обнаружила, что у головастиков с тяжелыми пороками лицевые структуры смещались драматически, чтобы исправить эти пороки. Было так, как если бы система могла распознавать отклонения от нормального состояния и предпринимать корректирующие действия, которые обычно не происходят.
«Мы были поражены, увидев, что задолго до метаморфоза и превращения в лягушек у этих головастиков были нормально выглядящие лица. Представьте последствия для животного с тяжелым «врожденным дефектом», который может исправиться самостоятельно, только со временем», — сказала Ванденберг.
Процесс обмена информацией
Эти результаты, по словам биологов Тафтса, согласуются с процессом обмена информацией, при котором структура триангулирует свое расстояние и угол от стабильной точки отсчета. Исследователи предполагают, что «пинги» (сигналы, содержащие информацию) обмениваются между «организующим центром» — таким как мозг и нейронная сеть — и отдельными черепно-лицевыми структурами.
В статье отмечается, что врожденные пороки развития черепно-лицевых структур составляют значительный класс врожденных дефектов, таких как заячья губа, волчья пасть и микрофтальмия, затрагивая более 1 из каждых 600 рождений. Разгадка механизма «исправления лица» с помощью дальнейших исследований на молекулярном уровне может вдохновить новые подходы к коррекции врожденных дефектов у людей.