Клетки «ходят на свидания», чтобы найти соседей при формировании тканей

В развивающемся сердце клетки перемещаются, сталкиваются друг с другом, чтобы найти своё место. Ставки высоки: соединение с неправильной клеткой может означать разницу между бьющимся сердцем и дефектным.

Исследование, опубликованное в Biophysical Journal, показывает, как клетки сердца осуществляют этот «поиск партнёра». Учёные смоделировали сложные движения этих клеток и предсказали, как генетические вариации могут нарушить развитие сердца у плодовых мушек.

Как у людей, так и у мушек ткани сердца возникают из двух различных областей эмбриона, изначально далёких друг от друга. По мере развития клетки из этих областей движутся навстречу и в итоге сливаются в трубчатую структуру — будущее сердце. Для правильного развития клетки должны точно выстроиться и соединиться.

«Когда клетки сближаются, они покачиваются и подстраиваются, и каким-то образом всегда в итоге соединяются с клеткой сердца того же типа», — говорит ведущий автор Тимоти Сондерс из Уорикского университета. Это наблюдение вдохновило команду изучить, как клетки находят пару и как понимают, что нашли правильного «партнёра».

Развивающиеся клетки сердца имеют щупальцевидные выступы — филоподии, которые ощупывают и захватывают потенциальных партнёров. Предыдущая работа Сондерса показала, что белки создают волны, которые растаскивают несовместимые клетки, давая им новый шанс найти правильную пару.

«Это похоже на скоростные свидания для клеток, — говорит Сондерс. — У них есть всего несколько мгновений, чтобы определить, подходят ли они друг другу, а молекулярные «друзья» готовы растащить их, если они несовместимы».

Исследователи обнаружили, что клетки сердца ищут стабильность, состояние, в котором они остаются максимально неподвижными — подобно катящемуся шару, который в итоге останавливается (энергетическое равновесие в физике).

Для развивающихся клеток сердца этот принцип работает, когда находится баланс между силами соединения и способностью клеток приспосабливаться к напряжению — адгезионной энергией и эластичностью. На основе этого наблюдения команда создала модель, показывающую, как клетки могут самоорганизовываться.

Затем команда проверила модель на сердцах плодовых мушек с мутациями и нарушениями выравнивания. Рассчитав адгезионную энергию между разными типами клеток и оценив эластичность ткани, модель предсказала, как клетки будут соединяться и перестраиваться.

«Хотя и редко, но иногда в сердечной трубке оказывается одна клетка с одной стороны вместо двух или две вместо четырёх, — говорит Сондерс. — Мы могли ввести эти несовершенства в модель и запустить её». Результаты моделирования близко совпали с тем, что наблюдалось в реальных эмбрионах.

Команда отмечает, что их модель не только углубляет понимание того, как клетки соединяются и выравниваются при развитии сердца, но и имеет более широкое применение. Похожие процессы клеточного «сопоставления» критически важны для нейронных связей, заживления ран и развития лица, где сбои могут привести к таким состояниям, как расщелина губы.

«По сути, мы присваиваем числа биологическим процессам, чтобы объяснить то, что наблюдаем», — добавляет Сондерс.