Новая система координат позволяет сравнивать развитие конечностей у цыплят и лягушек

Биологи из RIKEN разработали новый метод анализа развития конечностей позвоночных, чтобы выяснить принципы, управляющие динамикой тканей у разных видов. Эти принципы могут помочь в разработке искусственных органов — органоидов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Ещё в 1917 году шотландский биолог сэр Д'Арси Томпсон в своей знаковой книге «О росте и форме» показал, что различия в форме у близкородственных видов можно описать простыми геометрическими преобразованиями. Это указывало на наличие некой стандартной формы. Однако спустя более века о математических принципах, формирующих тело и его части у разных видов в процессе развития, известно очень мало.

Исследователи из RIKEN под руководством Ёсихиро Мориситы решили выяснить, являются ли паттерны изменений тканей в пространстве и времени (физические морфогенетические процессы) общими для разных видов. Они опирались на предыдущие работы по развитию конечностей цыплят.

Учёные предложили пространственно-временную систему координат, которая позволяет напрямую сравнивать динамику тканей у видов, различающихся по размеру, форме и временной шкале развития. Применив её к ранним стадиям развития конечностей у цыплят и лягушек, они обнаружили, что динамика тканей хорошо сохраняется между этими двумя видами, по крайней мере, до момента формирования скелетного паттерна.

«Предложенная система координат может выявить орган-специфичный принцип строения, не зависящий от вида, что приведёт к более глубокому пониманию биологии развития», — заключает Морисита.

Методом мечения и отслеживания клеток в развивающихся зачатках конечностей команда изучила паттерны роста и деформации тканей в пространстве и времени. Оказалось, что в новой системе координат эти паттерны настолько схожи у разных видов, что их трудно различить.

Динамика экспрессии некоторых типичных генов-маркеров конечностей также была сходной в предложенной системе координат для обоих видов. Это говорит о том, что развитие конечностей позвоночных регулируется физическими процессами и сигнальными путями, которые количественно хорошо сохраняются у разных видов.

«Наши результаты предполагают существование архетипической динамики у разных видов при формировании гомологичных органов разного размера и формы», — говорит Морисита.

Чтобы определить, насколько универсальна сохраняющаяся динамика тканей, учёные планируют применить ту же методологию к другим органам и более широкому кругу видов.

Они также намерены сравнить паттерны экспрессии генов в масштабе всего генома во времени и пространстве у разных видов, чтобы выявить гены, которые, вероятно, определяют межвидовые различия в морфологии органов. Раскрытие ключевых принципов морфогенеза органов поспособствует управлению их формой, включая создание более совершенных органоидов.