Как кишечник обзаводится ворсинками: сравнение видов и исследование процесса «виллификации»

Принципы формирования кишечных структур — ворсинок — оказались удивительно схожи у цыплят, лягушек, мышей и змей. Исследователи обнаружили, что образование складок на внутренней поверхности кишечника тесно связано со стадиями дифференцировки мышечных слоёв, создающих различные физические напряжения.

Исследователи из лабораторий Л. Махадевана и Клиффорда Табина изучили, как формируется кишечник у эмбрионов разных животных. Их работа, опубликованная в Science, показывает, что развитие ворсинок — пальцевидных структур на внутренней стенке кишечника, увеличивающих всасывающую поверхность в 30 раз — управляется сходными механизмами у разных видов.

Учёные объединили опыт: группа Махадевана изучает физические основы морфогенеза, а лаборатория Табина специализируется на биологии развития. Они исследовали ранние стадии формирования ворсинок («виллификации»), которые ранее почти не изучались (внимание уделялось поздним стадиям, управляемым стволовыми клетками).

Ключевое открытие: Ранний рост ворсинок вызван не активностью стволовых клеток, а механическими силами, возникающими из-за разной скорости роста слоёв стенки кишечника.

• Аналогия Махадевана: «Как если бы я намочил лист бумаги с одной стороны: мокрая область набухнет, сухая — нет. Это заставляет бумагу морщиться. Точно так же, когда один слой кишечника растёт относительно другого, он сжимается и изгибается».

Исследование показало, что складчатость внутреннего слоя напрямую связана со стадиями дифференцировки мышечных слоёв, создающих серию различных физических напряжений. Соавторы Эми Шайер (лаборатория Табина) и Туомас Таллинен (лаборатория Махадевана) с помощью компьютерных моделей, учитывающих геометрию и механические свойства кишечника, подтвердили, что изменения в паттернах складок точно совпадают с дифференцировкой мышц.

Сравнение разных животных позволило определить, какие мышечные слои вызывают какие типы складок. Например, у лягушек кишечник сохраняет зигзагообразную форму до рождения, потому что у них отсутствует мышечный слой, который у цыплят и мышей позволяет сформироваться отдельным ворсинкам.

Следующий шаг: Изучить промежуточный рост — период после формирования отдельных ворсинок, но до того, как их поддержание полностью переходит под контроль стволовых клеток. Понимание этого перехода от механических сил к клеточному росту расширит знания о других механизмах развития.

Значение работы: Демонстрация силы физического подхода, который можно обобщить для изучения формирования органов у разных видов.

• Махадеван: «Есть очень простой принцип, объясняющий эти паттерны: как скручиваются листья, как формируются усики, как формируется кишечник. Все они возникают из-за дифференциального роста, который приводит к изменению формы из-за геометрической несовместимости».
• Табин: «Люди из мира биологии развития — нематематического мира — не думали в терминах физических сил. А был второй мир — тех, кто мыслит механически, кто думает о том, как трубки изгибаются в биологических системах».

Такие исследования помогают строить мосты между традиционными дисциплинами, объединяя биологический и физический подходы для полного понимания процессов, подобных формированию ворсинок.