Отталкивающие взаимодействия упорядочивают быстрые митотические деления

Оплодотворенная яйцеклетка — общая отправная точка для большинства животных. Обычно удвоение генетического материала в этой клетке знаменует начало нескольких раундов делений, которые в итоге приводят к образованию многоклеточного организма. Но насекомые достигают этого особым способом: в отличие от позвоночных, они создают сотни ядер, каждая из которых содержит копию их генетического материала, внутри оплодотворенной яйцеклетки до образования отдельных клеток.

Чтобы эмбриональные клетки были одинакового размера (что критически важно для последующих стадий развития), ядра должны быть равномерно распределены до того, как их окружат мембраны. Но как именно эмбрион достигает этого порядка в такой хаотичной обстановке, где сотни ядер делятся одновременно? Клеточные биологи и биологи развития изучали этот вопрос десятилетиями, предлагая модели позиционирования ядер для нескольких организмов, включая лягушек и мышей. Однако эти животные на начальных стадиях развития производят одноядерные клетки, в отличие от насекомых.

Новое исследование, опубликованное в Development, предоставляет доказательства биофизических принципов, поддерживающих порядок расположения ядер в эмбрионах плодовой мушки (Drosophila). Команда обнаружила, что микротрубочки — белковые полимеры, являющиеся частью клеточного скелета, — формируют каркас, генерирующий отталкивающие силы, которые удерживают ядра на расстоянии друг от друга. Позиционирование ядер внутри многоядерных клеток очень сложно и включает множество возможных взаимодействий между соседними ядрами. Этот тип клеток развивается «наиболее устойчиво благодаря механизму межъядерного отталкивания — который мы представляем в нашей статье», — говорит Иво Телле, главный исследователь в Институте Гульбенкяна де Сьенсия (IGC) и руководитель команды, проводившей исследование. Помимо поддержания позиций ядер, отталкивающие взаимодействия также могут перенаправлять деления ядер в сторону незанятых областей, где отталкивание слабее, избегая неравномерного распределения ядер внутри крупных клеток.

«Отталкивание между ядрами было гипотезой, предложенной более двадцати лет назад, но никогда не подтверждалось экспериментами», — отмечает Иво. Этот поиск одного из «самых базовых принципов природы» начался в 2013 году и включал сотрудничество с исследовательскими институтами в Сингапуре и Германии. Вскоре после того, как Иво основал свою лабораторию в IGC, к нему присоединился Хорхе Карвалью, первый автор исследования, чтобы внедрить инновационный экспериментальный подход, который привел к этим открытиям. Экспланты эмбрионов плодовой мушки, созданные путем извлечения цитоплазмы и ядер из эмбриона, позволили исследователям раскрыть механизмы распределения ядер без необходимости использования живых образцов, которые часто сложны для анализа. «Этот подход был ключевым для большей части экспериментальных данных в статье», — сказал Хорхе.

В конечном итоге это долгое путешествие привело исследователей к открытию механизма, который напрямую влияет на размер клеток и позиционирование — два свойства, определяющие ключевые клеточные функции на более поздних стадиях эмбрионального развития. Но эти выводы выходят за рамки развития насекомых: они также улучшают наше понимание эволюции видов, включая наш собственный. «Межъядерное отталкивание было ключевым для перехода от одноклеточных организмов к многоклеточности», — подчеркивает Иво.