В ранней жизни эмбриона скрывается угроза хаоса

Исследование Принстонского университета показало, что только что оплодотворённые клетки едва избегают вырождения в фатальный хаос. Учёные также обнаружили, что эмбрионы приобрели механизм для сдерживания этой опасной нестабильности. Это открытие может помочь биологам разгадать другие тайны первых часов жизни.

Команда под руководством профессора молекулярной биологии Принстона Неда Уингрина недавно сообщила в журнале PLoS Computational Biology, что вопреки представлению о естественной синхронности развития эмбриональных клеток, они склонны погружаться в беспорядок. Без стабилизации клетки развиваются по разным графикам, и многие вообще прекращают развитие, что угрожает выживанию эмбриона.

Выявленная нестабильность

Это скрытое состояние хаоса было выявлено с помощью вычислительных моделей клеточного цикла эмбриона, построенных исследователями. Клеточный цикл — это повторяющееся деление и удвоение клеток, превращающее одну оплодотворённую яйцеклетку в полноценный организм. Учёные уже знали, что эмбриональные клеточные циклы запускаются быстрой волной кальция, исходящей из места оплодотворения и побуждающей клетки эмбриона делиться и удваиваться — или, в биологических терминах, осциллировать.

Распространённым предположением было, что после запуска импульс к осцилляции распространится по эмбриону (который начинается как одна большая клетка, затем многократно делится) и создаст условия для синхронных раундов деления. Однако Уингрин и его коллеги обнаружили, что естественное распространение осцилляции нестабильно и приведёт к хаотичной мозаике пропущенных и незавершённых делений. Они предсказали, что клеточная активность должна запускаться по всему эмбриону почти одновременно.

Двойная роль кальциевой волны

Их симуляция впервые показала, что быстрая кальциевая волна, известная как триггер деления, также служит синхронизатором, устанавливающим для клеток одинаковый график развития. Это раскрыло ключевую роль существования этой несколько загадочной волны и новый уровень сложности в функционировании эмбрионов.

«Нам не пришлось искать хаос, он сам вышел на нас, — сказал Уингрин. — Когда пыль улеглась, стало ясно, что осцилляция клеточного цикла, будучи в итоге удивительно однородной, не достигает этой гармонии сама по себе, особенно в чём-то столь крупном, как эмбрион, который намного больше типичной клетки. Но тогда возник вопрос: если есть этот потенциал для хаоса, как система его избегает? Оказывается, системе нужна кальциевая волна, чтобы избежать хаоса, и эта волна активируется удивительно быстро».

Теория и эксперимент

Работа основана на уравнениях, разработанных профессором Стэнфорда Джеймсом Ферреллом на основе экспериментов с эмбрионами шпорцевой лягушки. Феррелл, не участвовавший в исследовании, отметил, что оно углубило понимание биологической системы и показало, как теория и моделирование могут выявить функции, неочевидные в экспериментах.

Изначально симуляция проверила распространение клеточной активности только за счёт диффузии. Осцилляция распространялась, но беспорядок возникал почти мгновенно. Клетки делились с разной скоростью, многие оставались неразвитыми. Реальный эмбрион не пережил бы такого сбоя.

Скорость как ключ к порядку

Заподозрив роль кальциевой волны, исследователи смоделировали деление с быстрыми и медленными волнами. Медленные волны (1 мм за 10 минут) открывали дверь хаосу. Однако при ускорении до 1 мм за 4 минуты волна синхронизировала клеточную активность, и эмбрион развивался нормально. Симуляция показала, что кальциевая волна является не только инициатором, но и регулятором развития.

Это открытие предполагает, что у волны могут быть и другие функции, а также указывает на возможные дополнительные роли у иных механизмов. Нобелевский лауреат Эрик Вишаус отметил, что модель даёт представление о том, что искать среди ранее необъяснённых генетических мутаций, нарушающих развитие.

Следующие шаги

Уингрин надеется, что его модели направят дальнейшие лабораторные исследования, например:

• Воспроизведение симуляций на реальных эмбрионах.
• Проверка пределов синхронизации кальциевой волны.
• Изучение развития при замедлении одной стороны эмбриона или в разделённом эмбрионе.

«Мы занимаемся теорией и моделированием, поэтому наша надежда в том, что мы вернули мяч на сторону экспериментаторов», — сказал Уингрин.