Гены и физика в формировании кишечника эмбриона

Два новых исследования в Developmental Cell и PNAS раскрывают, как генетические сигналы и физические силы совместно формируют различные отделы и форму кишечника на эмбриональной стадии.

Роль Hox-генов и механики тканей

Исследование в Developmental Cell под руководством Хасрит Гилл показало, как набор регуляторных генов Hox диктует формирование кишечника. Учёные использовали эмбрион цыпленка в качестве модели.

  • Hox-гены (высококонсервативные у всех позвоночных) задают "инструкции" для сегментации и придания формы разным органам.
  • Ключевое открытие: механические свойства тканей, формирующих тонкий и толстый кишечник, напрямую влияют на их конечную форму.
    • Ткани, образующие ворсинки тонкого кишечника, имеют иные параметры жесткости, чем ткани, формирующие складки толстой кишки.
  • Ген HoxD13 регулирует механические свойства и скорость роста тканей, ведущие к форме толстого кишечника. Другие Hox-гены могут определять эти же свойства для тонкого кишечника.

Связующее звено: сигнальный путь TGF Beta

Учёные выявили критическую роль нижестоящего сигнального пути TGF Beta, контролируемого Hox-генами.

  • Изменяя уровень сигналинга TGF Beta в эмбрионах, исследователи могли "переключать" формы разных отделов кишечника.
  • Это открытие — важный шаг в фундаментальном понимании развития кишечника у позвоночных.

Значение для медицины

Понимание этих механизмов может пролить свет на природу некоторых заболеваний:

  • Колоректальный рак и другие фиброзные заболевания кишечника.
  • Гипотеза: болезнь может "перехватывать" эволюционно древнюю программу развития, что приводит к избыточному отложению внеклеточного матрикса и вреду для пациента.

Геометрия, упругость и рост

Дополнительное исследование в PNAS, со-руководимое Гилл и Сифань Инь, показало, как геометрия, упругие свойства и скорость роста контролируют различные механические паттерны в отделах кишечника.

  • Фокус был на сложных вторичных паттернах деформации, таких как удвоение периода и многоуровневые складчато-морщинистые структуры.

Новый подход к морфогенезу

Эти работы предлагают новую парадигму для изучения того, как гены влияют на развитие формы (морфогенез).

"Морфогенез обусловлен силами, возникающими из клеточных событий, динамики тканей и взаимодействий с окружающей средой. Наши исследования соединяют разрыв между молекулярной биологией и механическими процессами", — отметил Сифань Инь.

Исследования также открывают путь к изучению эволюционной пластичности развития кишечника: могут ли естественные вариации в генетических сигналах объяснять разнообразие форм кишечника у разных видов?