Обнаружен необычный сигнальный механизм с участием диффузии в эмбрионах дрозофилы

Исследователи из Университета штата Северная Каролина обнаружили, что диффузия играет неожиданную роль в дифференцировке клеток на ранних стадиях развития эмбрионов Drosophila (плодовых мушек). Вместо того чтобы рассеивать молекулярный сигнал, диффузия, опосредованная молекулой-переносчиком, фактически концентрирует сигнал в одном месте. Этот механизм "облегченной диффузии" ранее обнаруживался в других системах, и новое открытие указывает на его возможную более широкую распространенность.

Развитие Drosophila происходит быстро: от момента оплодотворения до выхода личинки из яйца проходит всего 24 часа. В данном исследовании ученые сосредоточились на двухчасовом окне развития — со второго по третий час. В начале этой стадии эмбрион представляет собой одну крупную клетку с примерно 500 ядрами, окружающими желток. К концу третьего часа эмбрион состоит уже из около 8000 ядерных клеток, все еще окружающих желток.

"Эти 8000 клеток начинают дифференцироваться: одни становятся нейронами, другие — клетками кожи и так далее", — говорит Грег Ривз, доцент химической и биомолекулярной инженерии и автор статьи. — "Мы изучали, как развивающийся эмбрион посылает сигналы всем этим клеткам, чтобы они "поняли", как дифференцироваться".

На ранних стадиях развития эмбрионы передают сигналы клеткам вдоль двух градиентов — по сути, широтного и долготного. Комбинация обоих сигналов сообщает клеткам, во что они превратятся. В данной работе рассматриваются сигналы градиента Dorsal — это транскрипционные факторы, белки, которые связываются с ДНК в ядре и регулируют экспрессию генов. Поскольку на этой стадии развития ядра не разделены клеточными стенками, белки Dorsal могут легко перемещаться по периферии эмбриона.

Однако эти белки Dorsal удерживаются в неактивном состоянии ингибиторным белком Cactus, который связывается с Dorsal, образуя комплекс Dorsal-Cactus, неспособный проникнуть в ядро.

Чтобы выполнить свою функцию, белки Dorsal полагаются на белки Toll, которые запускают каскад реакций, в конечном итоге приводящий к деградации Cactus. Это освобождает белки Dorsal, позволяя им войти в ядро и связаться с ДНК. Белки Toll, в свою очередь, начинают работать только вдоль вентральной (брюшной) стороны эмбриона.

Это описание долгое время считалось объяснением процесса, но Ривз и его команда показали, что в нем есть нечто большее.

Исследователи обнаружили, что ключевую роль играет диффузия, но не та, которую они ожидали.

"Обычно сигнал начинается в одном месте, а затем диффундирует, создавая градиент", — объясняет Ривз. — "Здесь происходит, по сути, обратное".

Конкретно, когда Toll деградирует Cactus, позволяя Dorsal проникать в ядра, создается дисбаланс: комплексов Dorsal-Cactus на одной стороне эмбриона становится больше, чем на другой. Это заставляет дополнительные комплексы Dorsal-Cactus мигрировать на вентральную сторону посредством диффузии в попытке восстановить равновесие.

"Чистый эффект процесса заключается в том, что больше Dorsal откладывается на вентральной стороне", — говорит Ривз. — "Cactus — не только ингибитор, как мы думали ранее, но и переносчик".

"Преимущество этого механизма облегченной диффузии в том, что он эффективно усиливает сигнал от белков Dorsal", — отмечает Ривз.

Кроме того, в эмбрионах с дефицитом белков Dorsal этот механизм концентрирует Dorsal в области, где он наиболее важен, повышая вероятность жизнеспособности эмбриона.

"Этот диффузионный механизм ранее обнаруживался у лягушек и в других независимых системах", — говорит Ривз. — "Его обнаружение здесь предполагает, что он может быть более распространенным, чем мы думали. И если он широко распространен в природе, это может указывать на его эффективность, которая могла бы послужить основой для разработки методов, применимых, например, в доставке лекарств. Это далекая перспектива, но ее стоит изучить".

Статья "A facilitated diffusion mechanism establishes the Drosophila Dorsal gradient" опубликована в журнале Development.