Учёные заставили головастиков вырастить глаза в спине и хвосте, изменив биоэлектрические сигналы

Впервые учёные изменили естественную биоэлектрическую коммуникацию между клетками, чтобы напрямую задать тип нового органа в определённом месте организма позвоночного. Биологи из Школы искусств и наук Университета Тафтса, используя генетические манипуляции с мембранным потенциалом у эмбрионов Xenopus (лягушки), смогли заставить головастиков вырастить глаза вне области головы.

Наиболее удивительные результаты были получены при манипуляции мембранным потенциалом клеток в спине и хвосте головастика — в областях, где глаза в норме никогда не формируются. «Гипотеза заключается в том, что для каждой структуры в организме существует специфический диапазон мембранного потенциала, который управляет органогенезом», — сказал Пай. «Это были клетки в регионах, которые никогда не считались способными формировать глаза. Это говорит о том, что клетки из любой части тела можно направить на формирование глаза».

Для этого они изменили градиент напряжения клеток в спине и хвосте головастиков, чтобы он соответствовал потенциалу нормальных глазных клеток. Этот специфичный для глаза градиент заставил клетки спины и хвоста — которые в норме должны были развиться в другие органы — развиться в глаза.

По словам Майкла Левина, доктора философии, профессора биологии и директора Центра регенеративной и биологии развития в Университете Тафтса, эти открытия открывают новые горизонты в биомедицине, поскольку идентифицируют совершенно новый механизм контроля. Его можно использовать для индукции формирования сложных органов для трансплантации или применения в регенеративной медицине. Левин является старшим и корреспондирующим автором работы, опубликованной в журнале Development онлайн 7 декабря 2011 года, до выхода печатного издания.

«Эти результаты раскрывают нового регулятора формирования глаза в процессе развития и предполагают новые подходы для обнаружения и исправления врождённых дефектов, затрагивающих зрительную систему», — сказал он. «Помимо применения этой новой методики для глаз в регенеративной медицине, это первый шаг к расшифровке биоэлектрического кода».

Первым автором статьи «Трансмембранный электрический потенциал контролирует формирование эмбрионального глаза у Xenopus laevis» является постдокторант Университета Тафтса Вайбхав П. Пай, доктор философии.

Сигналы включают гены глаза

Исследователи изначально хотели понять, как клетки используют естественные электрические сигналы для коммуникации при создании и размещении органов тела. В недавней работе биолог Тафтса Дани С. Адамс показала, что биоэлектрические сигналы необходимы для нормального формирования лица у эмбрионов Xenopus. В текущих экспериментах лаборатория Левина идентифицировала и пометила гиперполяризованные (более отрицательно заряженные) кластеры клеток, расположенные в головной области эмбриона лягушки.

Они обнаружили, что эти клетки экспрессируют гены, участвующие в построении глаза, — так называемые факторы транскрипции глазного поля (Eye Field Transcription Factors, EFTFs). Анализ срезов эмбриона через развитый глаз под флуоресцентным микроскопом показал, что гиперполяризованные клетки вносят вклад в развитие хрусталика и сетчатки. Исследователи выдвинули гипотезу, что эти клетки включают гены, необходимые для построения глаза.

Изменение сигналов приводит к дефектам

Далее исследователи смогли показать, что изменение биоэлектрического кода, то есть деполяризация этих клеток, влияет на нормальное формирование глаза. Они вводили в клетки мРНК, кодирующую ионные каналы — класс белков-ворот, встроенных в мембраны клетки. Каждый белок ионного канала избирательно позволяет заряженной частице проходить внутрь и наружу клетки.

Используя определённые ионные каналы, исследователи изменили мембранный потенциал этих клеток. Это повлияло на экспрессию генов EFTF, вызвав аномалии: головастики из этих экспериментов были нормальными, за исключением того, что у них были деформированные глаза или их не было вовсе.

Кроме того, биологи из Тафтса также смогли показать, что могут контролировать частоту появления аномальных глаз, манипулируя градиентом напряжения в эмбрионе. «Аномалии были пропорциональны степени разрушительной деполяризации», — сказал Пай. «Мы разработали методы повышения или понижения электрического потенциала для контроля экспрессии генов».

Электрические свойства клеток можно манипулировать для генерации специфических органов

Исследователи достигли самых удивительных результатов, когда манипулировали мембранным потенциалом клеток в спине и хвосте головастика, далеко за пределами области нормального формирования глаз.

«Используя специфический мембранный потенциал, мы смогли сгенерировать нормальные глаза в регионах, которые никогда не считались способными формировать глаза. Это предполагает, что клетки из любой части тела можно направить на формирование глаза», — сказал Пай.

Левин и его коллеги продолжают исследования, дополнительно нацеливаясь на мозг, спинной мозг и конечности. Эти открытия, по его словам, «позволят нам иметь гораздо лучший контроль над формированием паттернов тканей и органов в целом. Мы разрабатываем новые приложения молекулярной биоэлектричества в регенерации конечностей, восстановлении мозга и синтетической биологии».

Дополнительными авторами работы являются постдокторант Шерри Ау, постдокторант Тафтса Таль Шомрат и научный сотрудник Джоан М. Лемир. Финансирование этого исследования было предоставлено Национальными институтами здравоохранения (NIH).