Клетки определяют свою идентичность с помощью математически оптимальной стратегии
В развивающемся эмбрионе плодовой мушки (Drosophila) четыре гена-регулятора, так называемые gap-гены, включаются в различных областях вдоль длинной оси эмбриона. Клетки не имеют «глобального обзора» своего местоположения, поэтому учёные предположили, что они используют концентрации продуктов этих генов как химическую систему позиционирования.
Однако классическая модель не объясняла всех наблюдений. Команда исследователей, включая Гашпера Ткачика из Института науки и технологий Австрии (IST Austria), применила другой подход. Они учли, что сигналы о положении клетки зашумлены — уровни экспрессии gap-генов флуктуируют во времени и между эмбрионами. Это создаёт фундаментальный физический предел точности, с которой клетка может вычислить своё местоположение.
Исследователи задались вопросом: насколько точно в принципе можно определить положение, имея всего четыре зашумленных сигнала? С теоретической точки зрения ответ даёт оптимальное декодирование — установленный метод статистического вывода.
Учёные:
- Измерили уровни экспрессии gap-генов с достаточной точностью, чтобы охарактеризовать биологический шум в системе.
- На основе данных о нормальных эмбрионах построили оптимальный декодер.
- Протестировали его, спрогнозировав, как изменится картина развития в генетически модифицированных эмбрионах с нарушенными gap-генами.
Результат: Декодер с 1% точностью и без свободных параметров (которые нужно было бы подгонять под эксперимент) правильно предсказал, как искажается позиционирование в мутантных эмбрионах.
Это означает, что в эмбрионах Drosophila установление клеточной идентичности близко к оптимальному. Эволюция «настроила» молекулярный аппарат так, что он близко аппроксимирует математически оптимальное вычисление положения.
Результаты также ставят под сомнение классическую учебную модель, согласно которой позиционная информация медленно уточняется через каскад взаимодействий генов. Исследование показывает, что уже на самом раннем этапе, на уровне gap-генов, информации достаточно для точного позиционирования всех клеток.
Открытым остаётся вопрос, зачем тогда существует весь последующий каскад. Возможно, дополнительные слои регуляции преобразуют информацию в формат, который клеткам проще «считать», чтобы надёжно commit к определённому типу клеток.
Исследование опубликовано в журнале Cell.