Формирование градиента морфогена простой диффузией в растущем листе растения

В статье, опубликованной 5 сентября в Biophysical Journal, доцент Кенске Каваде из Института интегративной биологии Окадзаки и Национального института фундаментальной биологии в Японии показал, что транскрипционный ко-активатор ANGUSTIFOLIA3 (AN3) формирует градиент сигнала вдоль проксимально-дистальной оси листа, определяя домен пролиферации клеток. В частности, с помощью экспериментальных и теоретических подходов они продемонстрировали, что чистая диффузия в растущей ткани достаточна для объяснения формирования градиента AN3. Эта работа предоставляет доказательства жизнеспособности диффузионной модели морфогена в развитии паттернов у многоклеточных организмов.

Пространственный градиент сигнальных молекул критически важен для установления паттернов развития многоклеточных организмов. Около полувека назад исследователи предложили теорию, что чистая диффузия сигнальных молекул из ограниченного источника может объяснять формирование таких тканевых градиентов. Несмотря на популярность этой диффузионной модели в биологии развития, количественные исследования, в основном проводимые на животных, до сих пор не демонстрировали этот простой механизм в многоклеточных тканях.

В статье в Biophysical Journal команда доктора Каваде в сотрудничестве с учёными из Института Жака Моно (Франция), Университета Риккё (Япония) и Токийского университета (Япония) разрешила давний спор о диффузионной модели формирования градиента морфогена. Они измерили молекулярный транспорт через плазмодесмы — уникальные клеточные каналы в растениях, напрямую соединяющие соседние клетки, — с помощью транс-масштабных FRAP-анализов (Fluorescence Recovery After Photobleaching). Этот анализ выявил биофизические свойства диффузионного молекулярного транспорта через плазмодесмы. Основываясь на этой диффузионной модели, они показали, что градиент AN3 может быть достигнут исключительно за счёт процесса чистой диффузии через плазмодесмы в развивающихся листовых примордиях. Поскольку градиент сигналинга AN3 соответствует домену пролиферации клеток, это исследование может объяснить, как регулируются пространственная и временная динамика клеточной пролиферации, а следовательно, и рост ткани в ходе развития листа.

Эти открытия представляют собой значительный шаг вперёд в понимании того, как диффузия управляет формированием паттернов развития у многоклеточных организмов.