Синхронизация для роста: колебания активности генов могут лежать в основе пропорционального роста эмбрионов

От яйцеклетки до полностью сформированного организма: по мере развития эмбрионы должны формировать органы, пропорциональные общему размеру зародыша. Точный механизм, лежащий в основе этой фундаментальной характеристики, называемой масштабированием (scaling), до сих пор неясен. Однако команда исследователей из EMBL в Гейдельберге стала на шаг ближе к его пониманию. Они обнаружили, что масштабирование будущих позвонков у эмбриона мыши контролируется тем, как экспрессия некоторых специфических генов колеблется согласованно между соседними клетками. Опубликованные сегодня в Nature, их результаты подчеркивают, насколько важен этот колебательный паттерн и его регуляция для того, чтобы эмбрионы развивались в пропорциональных животных.

Соседние клетки в будущем позвоночнике эмбриона координируются, чтобы по очереди включать и выключать специфические гены, создавая волну экспрессии генов, подобную анимации «Slide to unlock» на смартфоне. Чтобы изучить этот процесс и определить его влияние на сохранение относительных размеров будущих позвонков, исследователи разработали новую методику.

«Используя этот новый метод, мы смогли снять эту волну экспрессии генов в реальном времени с высокой точностью и определить, может ли этот паттерн меняться в зависимости от общего размера», — объясняет Александр Аулехла, руководивший исследованием в EMBL. «Существует четкая связь: когда эмбрион меньше, количество формируемых сегментов остается тем же, но каждый сегмент меньше, а волны экспрессии пропорционально медленнее».

Скорость волны, по-видимому, является ключевой характеристикой, предсказывающей размер будущего позвонка: чем быстрее волна, тем больше позвонок. Подобные волны экспрессии наблюдались у нескольких видов позвоночных, а также у насекомых, что указывает на широкую распространенность этого паттерна коммуникации между эмбриональными клетками. Однако ученые еще не выяснили, как скорость волны контролируется на молекулярном уровне.

Методика, разработанная в этом исследовании, может стать ключом к пониманию этого сложного фундаментального механизма. Чтобы облегчить наблюдение, ученые вырастили всего один слой эмбриональных стволовых клеток, к которым добавили специфический маркер для отслеживания экспрессии генов Notch. Комбинация монослоя и маркировки сделала возможным наблюдение за экспрессией генов в реальном времени. В будущем эта новая методика может помочь исследователям понять детали того, как эмбриональные клетки синхронизируются для роста.