Как эмбрион отличает левую сторону от правой: реснички как клеточные датчики силы

Хотя человеческое тело симметрично снаружи, внутренние органы (сердце, легкие, печень, желудок, мозг) имеют выраженную лево-правую асимметрию.

Эта асимметрия закладывается на ранних стадиях эмбриогенеза в особой группе клеток — лево-правом организаторе. Внутри него подвижные реснички создают направленный поток жидкости влево, что является первым внешним признаком различия между левой и правой сторонами.

До сих пор оставалось неизвестным, как именно этот поток воспринимается и преобразуется в асимметрию.

Новое исследование под руководством ученых из Массачусетской больницы общего профиля (MGH) показывает, что реснички в организаторе не только создают поток, но и действуют как сенсоры биомеханических сил, формируя лево-правый план тела развивающегося эмбриона.

Результаты опубликованы в журнале Science.

"Почти 25 лет работ различных групп показали, что реснички и поток в организаторе абсолютно необходимы для установления лево-правой асимметрии тела, — говорит Шиаулоу Юань, старший автор исследования. — Но у нас не было подходящих инструментов, чтобы окончательно изучить, как это работает".

Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали данио-рерио в качестве модели и применили новый оптический инструментарий, включающий специальную микроскопию и машинный анализ.

Их подход был уникальным: они впервые применили оптические пинцеты в живом организме для точного воздействия механической силы на реснички.

Используя эти инструменты, ученые обнаружили, что реснички являются механосенсорами на поверхности клеток, важными для лево-правой асимметрии развивающегося тела и органов, таких как сердце.

Применяя оптические пинцеты к ресничкам в лево-правом организаторе данио-рерио, они показали, что их подмножество воспринимает силу потока и преобразует ее в кальциевые сигналы, которые контролируют лево-правую асимметрию.

Нарушения лево-правой асимметрии связаны с многочисленными заболеваниями человека, включая синдром гетеротаксии, первичную цилиарную дискинезию и врожденные пороки сердца.

"Знания, полученные в этом исследовании, не только углубляют наше понимание фундаментальных клеточных процессов, управляющих развитием человеческого тела, но также могут открыть новые пути для разработки диагностики этих расстройств, — говорит Юань. — Кроме того, эта работа может проложить путь к целевой терапии, направленной на сигнализацию и механочувствительность ресничек".

Юань и его коллеги продолжают исследовать молекулярные механизмы, управляющие механочувствительностью ресничек, и разрабатывать новые стратегии для визуализации и управления их сигнализацией, с долгосрочной целью создания инструментов для лечения связанных с ресничками заболеваний.

"Эти результаты и инструменты, которые сделали их возможными, открыли новое окно в паттерны развития эмбриона, а также ящик Пандоры, — говорит соавтор Скотт Э. Фрейзер. — Это напоминает нам, что нам еще так много предстоит узнать о том, как сигнализация ресничек и механобиология влияют на развитие и болезни".