Как клетки определяют время? Ученые разработали метод визуализации для наблюдения за клеточными часами

Новый метод визуализации активности отдельных клеток в живых эмбрионах рыбки данио позволил ученым выяснить, как клетки выстраиваются в нужном месте в нужное время, чтобы получать сигналы о следующей фазе своего жизненного цикла.

Ученые создали инструмент визуализации для отдельных живых клеток, соединив белок, определяющий циклическое поведение клеток, с желтым флуоресцентным белком, позволяющим проводить наблюдение. Эмбрионы данио уже прозрачны, но этот более детальный микроскопический взгляд на самые ранние стадии жизни позволил исследователям ответить на два давних вопроса о том, как клетки взаимодействуют для формирования эмбриональных сегментов (сомитов), которые позже становятся мышцами и позвонками.

Хотя ученые изучают молекулярные «часы», определяющие время эмбриональной сегментации, результаты углубляют понимание циклического поведения клеток всех типов на многих стадиях развития — включая проблемные клетки, вызывающие рак и другие заболевания. Понимание того, как управлять этими часами или контролирующими их сигналами, может привести к новым способам лечения некоторых патологий у человека.

Эмбриональные клетки проходят через осциллирующие циклы высокой и низкой рецепции сигналов в процессе образования сегментированной ткани, и активация генов в группах клеток должна оставаться синхронизированной для правильного формирования сегментов. Одна из нескольких мощных систем передачи сообщений у всех позвоночных называется сигнальным путем Notch, и его точная роль в этой осцилляции и синхронизации до сих пор оставалась загадкой.

В этом исследовании ученые подтвердили, что клетки должны получать сигнал Notch для поддержания синхронизации с соседними клетками и формирования сегментов, которые станут тканью. Однако клетки могут активировать свои гены в осциллирующем режиме как с этим сигналом, так и без него.

«Впервые это точно установлено. Эти данные показывают, что клетки с отключенной сигнализацией Notch могут прекрасно осциллировать, но они не могут синхронизироваться со своими соседями», — сказала Шэрон Амачер, профессор молекулярной генетики в Университете штата Огайо и ведущий автор исследования.

Визуализация также позволила Амачер и коллегам определить, что деление клеток (митоз) не является случайным событием, как считалось ранее. Вместо этого, деление, как правило, происходит, когда соседние клетки находятся в низкой точке активации генов для приема сигнала. Это говорит о том, что митоз не такой «шумный» или потенциально разрушительный, как предполагалось.

Исследование опубликовано в ноябрьском номере журнала Developmental Cell.

Работа Амачер сосредоточена на создании этих тканевых сегментов (сомитов) в мезодерме эмбрионов данио — эта область дает начало ребрам, позвонкам и мышцам у всех позвоночных, включая человека.

«Этот ранний процесс сегментации действительно важен для паттернирования многих последующих событий развития — паттернирования нервной системы и сосудистой сети. Многое из этого зависит от того, что эти часы обеспечивают правильное протекание раннего развития», — сказала Амачер.

Однако, в отличие от известных 24-часовых циркадных ритмов, активность клеток на самых ранних стадиях развития может происходить в течение нескольких минут, что делает изучение их часов чрезвычайно сложным.

Это исследование стало возможным благодаря сотрудничеству биологов и физиков, включая разработку мощного вычислительного анализа на основе MATLAB соавтором Полом Франсуа, доцентом физики в Университете Макгилла. Франсуа помог частично автоматизировать отслеживание клеток, а также преобразовать исходные данные о фазе каждой клетки в карты, позволяющие проводить более конкретную визуализацию.

Эксперты по сегментации тканей сравнивают осциллирующий цикл активации и деактивации генов, который проходят клетки перед формированием сомитов, с «волной» болельщиков на стадионе. Согласно «часам сегментации», гены включаются, производятся белки, белки затем ингибируют активацию генов, и так далее. Этот паттерн повторяется, пока не сформируются все необходимые сомиты. Клетки-соседи должны быть синхронизированы друг с другом, так же как болельщики на одном секторе должны вставать и садиться одновременно, чтобы эффективно создать волну.

Сомиты у данио формируются каждые 30 минут, что означает, что в течение одного цикла «волны» клетка занята производством белка всего около пяти минут. Чтобы создать инструмент визуализации, исследователи связали желтый флуоресцентный белок с циклическим белком, известным своим коротким временем жизни. Получившийся короткоживущий флуоресцентный белок-гибрид позволил Амачер и коллегам наблюдать за отдельными клетками вместе с их соседями, чтобы увидеть, как они остаются синхронизированными, выполняя «волну».

Ранее в этой области считалось, что сигнальный путь Notch может быть необходим для запуска часов в этих циклических генах, хотя противоречивые данные показывали, что часы могут работать и без сигнала.

Визуализация Амачер показала, что Notch действительно требовался только для поддержания синхронизации, но не для запуска осциллирующих часов. Она и коллеги проверили эту идею, объединив инструмент визуализации с тремя мутантными типами клеток с отключенными сигналами Notch. Клетки во всех трех мутантах могли осциллировать, но не синхронно, что объясняло, почему они не могли формировать сегменты так, как это делали клетки, получающие сигнал Notch.

Дефекты сигналинга Notch связаны с врожденными нарушениями развития у человека, характеризующимися деформацией ребер и позвонков, что позволяет предположить, что эта работа дает представление о потенциальных методах терапии для предотвращения этих дефектов.

Исследователи также попытались определить, нарушает ли деление клеток синхронность, необходимую для создания сегментов. Митоз, происходящий среди 10–15% эмбриональных клеток в любой момент времени, считается источником биологического «шума», потому что при делении клетки прекращают активировать гены. Если бы деление происходило случайно, как считалось ранее, а не по определенной схеме, само клеточное деление, необходимое для роста организма, могло бы нарушить синхронность часов, создавая проблемы, которые сегментирующимся организмам пришлось бы преодолевать.

Однако исследование показало, что большинство клеток делились, когда их соседи находились в низкой точке активации генов — в нижней точке «волны». Это говорит о том, что деление клеток происходит не случайно. Исследовательская группа отметила, что две дочерние клетки, образовавшиеся в результате свежего деления, синхронизированы друг с другом более тесно, чем любые другие соседние клетки в этой области.

В нормальных условиях эти две дочерние клетки быстро повторно синхронизируются со своими соседями. В эмбрионах с отсутствующей сигнализацией Notch недавно разделившиеся дочерние клетки выглядели как пара тесно синхронных клеток в основном асинхронном море, показывая, что осцилляция может возобновиться и без сигнального пути. Без Notch дочерние клетки постепенно выходили из синхронизации, становясь похожими на своих асинхронных соседей.

Амачер заявила, что эти результаты могут быть включены в модели поведения клеток в процессе развития для дальнейшего прогресса в исследованиях клеточной биологии.

«Большинство наших тканей и органов состоят не из одинаковых типов клеток. У них разные функции. Поэтому вы не хотите, чтобы они одинаково реагировали на каждый сигнал; вы хотите, чтобы у них были разные реакции. Нам необходимо понимать такие системы, которые помогают клеткам не только интерпретировать сигналы в их окружении, но и делать правильные вещи, получив этот сигнал», — сказала она.