От хаоса к структуре: как неорганизованные клетки формируют устойчивый эмбрион

Международная команда учёных, включая исследователей из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и группы профессора Такаши Хираги из Института Хубрехта в Нидерландах, создала всеобъемлющий атлас раннего морфогенеза млекопитающих. Их работа, опубликованная в Science, анализирует, как эмбрионы мыши, кролика и обезьяны развиваются в пространстве и времени.

Хаотичное начало и внезапное упорядочивание

Раннее эмбриональное развитие начинается с оплодотворения яйцеклетки и последующих делений (дробления). У млекопитающих эти первые деления оказались хаотичными — как по времени, так и по ориентации, — в отличие от строго регулируемого процесса у таких организмов, как C. elegans.

Учёные создали "морфокарту" — инструмент для визуализации и количественного анализа высокоразмерных морфологических данных эмбрионов. Анализ показал, что эмбрионы разных видов выглядят очень по-разному на ранних стадиях, но внезапно начинают походить друг на друга к концу стадии восьми клеток.

Физическая модель: эмбрион как кубик Рубика

Исследователи обнаружили, что сложную структуру эмбриона можно эффективно описать, изучая конфигурации контактов между клетками — подобно связям в социальной сети.

На основе этого они создали простую физическую модель, объясняющую сходимость к воспроизводимой форме. Модель показывает, что физические законы направляют эмбрионы к формированию специфической морфологии, общей для млекопитающих.

Физические взаимодействия между клетками дестабилизируют большинство конфигураций, кроме тех немногих, которые снижают поверхностную энергию эмбриона. Клетки стремятся всё сильнее "слипаться" друг с другом, и этот процесс последовательно приводит эмбрион к наиболее оптимальной упаковке — словно он сам решает свой кубик Рубика.

Вариабельность и устойчивость

Результаты демонстрируют, как развитие эмбрионов млекопитающих управляется одновременно вариабельностью и устойчивостью. Без хаоса нет структуры — одно необходимо другому. Оба компонента являются важными частями "нормального" развития.

"Мы наконец начинаем иметь инструменты для анализа вариабельности морфогенеза, что крайне важно для понимания механизмов устойчивости развития", — резюмирует Эдуар Ханнезо.

Это знание не только углубляет понимание нормального развития, но и даёт представление об аномалиях, что может быть полезно в исследованиях болезней, регенеративной медицине или лечении бесплодия. В будущем оно может помочь в выборе наиболее здорового эмбриона для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), повышая успешность имплантации.