Моделирование развития органов с помощью сигнального пути Delta-Notch

Учёные из Университета Цукубы создали компьютерную модель для симуляции развития сложных структур на основе сигнального пути Delta-Notch. Эта работа приближает к более полному пониманию процессов формирования органов.

Развитие эмбриона из недифференцированных клеток в плод с чётко определёнными органами зависит от сложного взаимодействия генетических инструкций и сигнальных молекул. Например, гены Notch кодируют рецепторные белки, проходящие через мембрану клетки. Это позволяет внешним сигнальным молекулам координировать развитие клетки, включая или выключая определённые гены в нужное время и месте.

Чтобы лучше понять роль сигнальных систем, команда смоделировала путь Delta-Notch в дифференцировке клеток желчных протоков. Дифференцировка эпителиальных клеток, необходимых для развития желчных протоков печени, уникальна: они получают сигналы в виде лигандов Delta от клеток воротной вены, чтобы гарантировать их правильное расположение.

«Лиганд Delta, высвобождаемый клеткой воротной вены, может связываться с рецептором Notch, чтобы регулировать экспрессию генов в эпителиальной клетке», — объясняет первый автор Масахару Ёсихара.

Учёные использовали систему связанных дифференциальных уравнений, чтобы показать, как концентрации каждого компонента меняются со временем на двумерной матрице 20 × 20, имитирующей поперечное сечение печени. Диффузия молекул Delta привела к различиям в концентрации в зависимости от местоположения, обеспечивая дифференцировку эпителия только в правильных местах — авторы назвали это «мелкозернистой дифференцировкой».

Однако даже при наличии клетки воротной вены, высвобождающей молекулы Delta, при определённых условиях дифференцировка клеток не происходила. Это показывает, что правильное развитие зависит от скорости продукции лигандов Delta и рецепторов Notch.

«Этот проект демонстрирует способность компьютерных моделей симулировать формирование пространственной структуры с использованием сложных сигнальных путей с обратной связью», — говорит старший автор професстор Сатору Такахаси.

Будущие модели могут включать другие сигнальные молекулы, а также миграцию клеток.