Механические силы точно формируют животный «оригами», несмотря на «шум»

Исследователи из Центра динамических исследований биосистем RIKEN (BDR) в Японии выявили новый механизм, который помогает животным развиваться с точной и постоянной формой.

Воспроизводимость формы и характерного внешнего вида — ключевая черта развития, возможная благодаря тому, что её инструкции закодированы в ДНК. Однако загадкой остаётся, как эта воспроизводимость достигается, несмотря на генетические вариации и «шум» развития, вызванный средовыми, физическими и химическими флуктуациями. Недавние работы на плодовых мушках предположили, что механизмы «подавления шума» в эмбрионе полагаются на детальный и высоковоспроизводимый генетический «чертёж» с конкретными инструкциями вплоть до уровня отдельной клетки.

Теперь, в исследовании, опубликованном в Developmental Cell, международная команда под руководством Ю-Чиуна Вана из RIKEN BDR задалась вопросом, достаточно ли этого «чертежа» для объяснения постоянства развития, или ему помогают альтернативные механизмы подавления шума. Их результаты указывают на ранее упускавшуюся роль механических сил, которые формируют эмбрион: оказывается, они являются как источником шума, так и ключом к обеспечению точности — настоящий обоюдоострый меч!

Команда исследовала структуру под названием головная борозда в эмбрионе плодовой мушки, где поверхность эмбриона складывается по прямой линии, подобно оригами. Для создания этой складки клетки используют молекулу миозин, чтобы создавать механические силы, укорачивающие клетки, формирующие складку. Удивительно, однако, что в среднем 20% клеток не получали инструкций стать частью головной борозды. Оказалось, что информация о том, где делать складку, была точной, но её «считывание» было неожиданно неаккуратным. В результате распределение миозина было крайне вариабельным, что создавало несоответствие между информацией «чертежа» и поведением клеток.

Чтобы понять, как эмбрион складывается по прямой линии, несмотря на этот «шум», исследователи изучили ткань шире и поняли, что миозин поляризован вдоль направления, параллельного формирующейся складке. Они предположили, что, приводимые в действие миозином, клеточные мембраны тянут друг друга, создавая форму механической коммуникации, которая позволяет выпрямленной лентообразной структуре возникать из размытой зоны стохастического сокращения мембран. Похоже, эта усеянная миозином лента и является линией сгиба развивающейся головной борозды.

Чтобы доказать это, учёные «разрезали» ленту, используя сфокусированный лазерный луч для инактивации миозина в небольшом количестве клеток. Они обнаружили, что головная борозда развила изгиб, что указывает на то, что прямолинейность складки требует целостной ленты сократительных мембран. Компьютерное моделирование также подтвердило, что складывание ткани на основе поляризованных сократительных сил действительно может преодолеть шум в этих силах.

Вывод исследования: постоянство формы животных требует не только детерминированного процесса генетического наследования и генетических сетей, но также опирается на стохастическое и возникающее поведение механических сил.

Ван также считает, что по той же причине патологические процессы, связанные с ростом, реорганизацией и изменением формы клеток и тканей, такие как формирование опухоли и метастазирование рака, также должны содержать элемент механической самоорганизации наряду с известным фактором генетической предрасположенности.