Учёные создали многоуровневую модель раннего эмбрионального развития позвоночных

Исследователи из Института Биокомплексности Университета Индианы разработали вычислительную модель сложного клеточного «танца», происходящего на самых ранних стадиях развития животных при формировании эмбриональных сегментов — сомитов. Сомиты дают начало внутреннему каркасу жизни: у дождевых червей это около 100 сегментов тела, а у людей — сегментированная масса клеточных слоёв в раннем эмбрионе, которая приводит к формированию мышц, позвонков, конечностей, рёбер и копчика.

Создание унифицированной многоуровневой модели сомитогенеза — процесса, устанавливающего самую раннюю видимую сегментацию у эмбрионов позвоночных — стало как примером для других учёных, создающих подобные прогностические модели развития, так и источником важных данных о плане строения тела позвоночных и его эволюции.

«Замечательная синхронизация и динамические структуры, вовлечённые в сомитогенез, зависят от механизмов, работающих в диапазоне масштабов — от субклеточного до тканевого, а также от взаимодействий между этими уровнями», — отметил директор института Джеймс Глейзиер. «Адаптивность количества и размера сегментов была ключевой для эволюции различных планов строения тела на протяжении истории. Предыдущие работы были лишь наводящими, но никогда не изучали, является ли взаимодействие молекулярной регуляции и тканевой структуры достаточно устойчивым, чтобы обеспечить такую пластичность. Наша текущая работа показывает, что это взаимодействие действительно обладает такой устойчивостью».

Взяв за основу модель «Часы и фронт волны» Кука и Зимана 1970-х годов, которая показала, что организмы формируют сегменты по одному, добавляя их к хвостовому концу эмбриона, исследователи создали двумерные симуляции генерации сомитов с регулярными интервалами во времени и пространстве для эмбриона курицы.

• Эмбрионы цыплят имеют 52 пары сомитов, новая пара формируется каждые 90 минут.
• У людей — 33 пары сомитов, пара формируется каждые 90 минут.
• У мышей — 65 пар, пара формируется каждые 120 минут.

«Удивительно, но молекулярный механизм, генерирующий сомиты, допускает довольно много ошибок, — пояснил Глейзиер. — Затем биофизические процессы, такие как дифференциальная адгезия, помогают исправить эти ошибки, но они не идеальны».

Когда эти биофизические процессы дают сбой, последствия могут быть разрушительными. Хотя почти 8% людей легко приспосабливаются к наличию 13 пар рёбер вместо нормальных 12, у 1% есть дополнительный шейный позвонок, что может привести к тяжёлым, иногда неизлечимым проблемам со здоровьем.

«С медицинской точки зрения, хотя многие дефекты сегментации приводят к гибели эмбриона (выкидышу), другие могут вызвать врождённый сколиоз. Ряд других, менее распространённых врождённых заболеваний также может быть результатом дефектов сегментации».

Поскольку сегментация происходит очень рано в развитии, когда мать часто ещё не знает о беременности и должна избегать лекарств и алкоголя, сбой сегментации из-за генетических условий или воздействия токсинов/лекарств на ранних сроках может иметь катастрофические последствия.

«Понимание того, как возмущения на одном уровне распространяются на другие уровни, будет важно для оценки того, будут ли эти возмущения иметь терапевтический или опасный эффект», — подчеркнул Глейзиер. «Хотя такие мощные прогностические инструменты ещё впереди, они станут возможными только с помощью гибких, хорошо продуманных и понятных многоуровневых моделей».

Объединив специализированные гипотезы для конкретных субкомпонентных механизмов сомитогенеза, исследователи смогли создать модель, достаточно устойчивую и гибкую, чтобы описать процесс у таких разных по размеру, форме и времени гестации животных, как курицы, ужи, мыши и рыбки данио. Модель была смоделирована в симуляционной среде CompuCell3D (CC3D) на основе модели Глейзиера–Гранера–Хогевега (GGH), которая воспроизвела пространственно и временно регулярное формирование неограниченного числа сомитов.