Эмбриональные сигналы используют разные пути

Ученые из Университета Райса обнаружили значительные различия в том, как сигнальные пути заставляют клетки дифференцироваться — то есть становиться органами, костью, кровеносными сосудами, нервами или кожей.

Исследователи выяснили, что стволовые клетки чувствительны не только к самим сигналам, формирующим «инструкции» для создания организма, но и к тому, насколько быстро эти сигналы доставляются.

Лаборатория проверила, является ли количество сигнальной молекулы основным сигналом для клеток. Ответ был четким «нет» для одного из изученных родственных путей и, что удивительно, «да» — для другого.

Исследование в eLife детализирует активность двух сигнальных путей, Nodal и BMP4, в экспериментальных моделях ранних эмбрионов млекопитающих.

Оба пути важны для процесса гаструляции, когда создается план тела эмбриона:

• BMP4 запускает процесс и определяет «вентральную» (брюшную) сторону, где формируется кожа. На противоположной стороне, где уровень BMP низкий, развивается нервная система. Клетки, подвергшиеся воздействию BMP, сохраняют изменения, пока присутствует его лиганд.
• Путь Nodal, заставляющий клетки становиться мышцами, сердцем и другими органами, контролируется тем, как клетки-мишени чувствуют и адаптируются к изменениям в среде, особенно к меняющимся уровням его лиганда.

Ученые пришли к выводу, что взаимодействия между этими лигандами (морфогенами) и клетками гораздо более динамичны, чем считалось ранее, и не зависят лишь от концентрации лиганда.

Лаборатория использует уникальную экспериментальную систему, имитирующую рост в ограниченном пространстве, которая позволяет человеческим эмбриональным стволовым клеткам делиться и дифференцироваться в контролируемой форме, подобной эмбриону. Это позволяет исследователям воздействовать на колонию белками, запускающими определенные пути, чтобы увидеть, как они взаимодействуют друг с другом и с дифференцирующимися клетками.

Nodal и BMP4 входят в суперсемейство белков TGFb. Оба активируются соответствующими лигандами во время гаструляции. В процессе оба пути задействуют белок Smad4, который при активации перемещается в ядро клетки. Пометив его зеленым флуоресцентным белком (GFP), ученые смогли отслеживать активность путей.

«Мы не думаем, что клетки чувствуют «высокий» уровень сигнала против «низкого», — говорит ведущий автор Арье Вармфлеш. — Они чувствуют, быстро или медленно включаются пути, запущенные присутствием лигандов».

Путь Nodal оказался наиболее интересным. «По сути, он всегда преходящ, — объясняет Вармфлеш. — В наивной картине можно представить этот путь как переключатель. Но почему сигнал выключается, когда переключатель включен? Такова его природа. Клетки чувствуют, когда уровни в пути меняются. Они не чувствуют: «Он здесь, я включаюсь». Они чувствуют: «Хорошо, он меняется, поэтому я включаюсь». Это дает им чувствительность к динамике».

В экспериментах клетки сами производили лиганд Nodal, воссоздавая ранние эмбриональные паттерны. Исследователи наблюдали, как волна сигналинга Nodal проходила через колонии со скоростью около одной ширины клетки в час. «Сразу после прохождения волны мы видим маркеры дифференцировки, определяющие судьбу клеток», — отмечает Вармфлеш.

Ученые получили контроль над дифференцировкой, пульсируя воздействие лиганда на колонию: один час воздействия и шесть часов без него в течение трех циклов.

«Мы показали, что эти три часа воздействия, правильно рассчитанные по времени, вызывают дифференцировку клеток лучше, чем 20 часов непрерывного воздействия, — говорит Вармфлеш. — Мы считаем, что понимание динамики даст нам способ направлять клетки к определенным судьбам, а также понять, как эти пути работают при формировании паттернов в процессе развития».