Клетки используют электрические поля для миграции в эмбрионе

В ходе эмбрионального развития клетки получают множество сигналов из окружающей среды. Однако химических и механических сигналов недостаточно для объяснения коллективной миграции клеток. Растущее количество данных указывает на то, что движение клеток может происходить в ответ на электрические поля в эмбрионе. До недавнего времени было неясно, как и где эти поля формируются.

"Мы охарактеризовали эндогенный паттерн биоэлектрического тока, напоминающий электрическое поле во время развития, и показали, что этот ток может направлять миграцию популяции клеток, известной как нервный гребень", — отмечает ведущий автор исследования доктор Элиас Х. Баррига, чья работа опубликована в Nature Materials.

Нервный гребень — это область клеток, формирующая кости лица и шеи, а также части нервной системы. Исследователи обнаружили, что клетки нервного гребня направляются внутренними электрическими полями в процессе, известном как электротаксис.

Ранее это явление наблюдалось в основном на культивируемых клетках, но теперь оно продемонстрировано в развивающемся эмбрионе. Ключевым оставался вопрос: как клетки интерпретируют эти токи и преобразуют их в направленное движение?

Команда идентифицировала фермент Vsp1 (voltage-sensitive phosphatase 1) в клетках нервного гребня. Его структура предполагала способность как чувствовать, так и преобразовывать электрические сигналы. Эксперименты с дефектной версией фермента подтвердили, что Vsp1 необходим для электротаксиса: коллективная миграция клеток с такой копией была нарушена.

"Применение инструментов, которые я разработал для воздействия на экспрессию генов в контексте биоэлектричества, было очень полезным", — отметила доктор София Морейра, работавшая над исследованием.

Интересно, что Vsp1 оказался не важен для самого движения, а специфически преобразовывал градиенты электрического тока в направленную коллективную миграцию. Это уникальное наблюдение, так как большинство ферментов-сенсоров необходимы для самого движения.

Авторы также предложили механизм формирования электрических полей: за счёт механического растяжения области нервной складки. Растяжение активирует специфические ионные каналы, создавая градиент напряжения. При встрече с этим градиентом Vsp1 преобразует электрические сигналы в направляющий стимул для клеток.

Это первое экспериментальное свидетельство того, что электрические поля возникают вдоль пути миграции клеток нервного гребня, с объяснением механизма их происхождения.

"Эта статья заполняет важный пробел в исследованиях биоэлектричества, существовавший десятилетиями", — говорит первый автор работы доктор Фернандо Феррейра.

"В более широкой перспективе мы ввели нового игрока в сложный процесс морфогенеза тканей", — добавляет доктор Баррига. — "Теперь вопрос в том, как это вписывается в уже установленные рамки механических и химических сигналов во время эмбриогенеза?".

Подобные механизмы могут существовать и при заживлении ран, и в прогрессировании рака. Понимание того, как электрические поля направляют миграцию клеток, может вдохновить на новые стратегии в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Однако для этого требуются дальнейшие исследования.