Модель развития раскрывает формы клеточных линий и связь с регенерацией

Сложные многоклеточные организмы, от простых Volvox carterii с двумя типами клеток до человека с более чем 200 типами, развиваются из одной зиготы. Этот процесс зависит от переключающей регуляции генов и изучен на модельных организмах, таких как червь C. elegans и плодовая мушка D. melanogaster. Ключевые молекулы и механизмы развития высоко консервативны.

Исследователи из Центра мягкой и живой материи Института фундаментальных наук изучили, как небольшой набор молекул и механизмов порождает огромное разнообразие форм. Они использовали простую математическую модель, чтобы ответить на два вопроса: каковы пределы разнообразия, создаваемого развитием, и какие общие черты есть у всех многоклеточных организмов.

Модель учитывает три общих для развития процесса: деление клеток, клеточную сигнализацию и регуляцию генов. Было сгенерировано и исследовано множество правил, описывающих, как один тип клеток превращается в другой в течение жизни организма.

• В отличие от традиционных древовидных карт типов клеток (где стволовые клетки — корень, а специализированные — ветви), новая модель чаще порождала направленные ациклические графы с множеством перекрестных связей между ветвями. Древовидные структуры были наименее распространены. Это означает, что к конечному типу клеток может вести несколько путей развития.

Удивительно, но многие организмы в модели обладали способностью к регенерации без какого-либо отбора со стороны авторов. Выделенный из взрослого организма одиночный тип клеток мог трансформироваться и восполнять все остальные. Эта способность (плюрипотентность) наделяла модель целостной регенерацией. Примечательно, что в древовидных линиях таких плюрипотентных клеток было меньше, чем в других типах графов.

Поскольку целостная регенерация широко распространена в животном мире, выдвигалась гипотеза, что она может быть побочным явлением самого биологического развития. Тот факт, что плюрипотентность возникла в этой упрощенной модели, подтверждает, что эта черта, вероятно, действительно возникает из-за самого процесса развития, без необходимости в специальных дополнительных компонентах.

Эта простая и модульная модель может быть расширена для изучения других аспектов развития, таких как влияние пространственного расположения клеток и гибели клеток. Исследователи также описали возможные реальные эксперименты для проверки предсказаний модели. Ожидается, что данный подход поможет открыть новые черты развития, что может иметь широкие последствия для биологии развития и регенеративной медицины.