Модель может улучшить понимание эмбрионального развития

Математическая модель, разработанная в Университете Пердью, способна предсказывать сложные паттерны сигналинга. Это может помочь учёным определить, как стволовые клетки эмбриона впоследствии становятся специфическими тканями. Такие знания можно использовать для понимания и лечения нарушений развития и некоторых заболеваний.

Во время эмбрионального развития белки присоединяются к рецепторам клеток и запускают каскад реакций. Однако понять эти реакции сложно, потому что сигналы обратной связи возвращаются к белкам или другим молекулам вдоль каскада, постоянно меняя паттерн реакции. Исходы этих реакций и механизмы обратной связи (или входные данные) известны, так как их можно наблюдать, но то, как входные данные приводят к выходным, остаётся неясным.

«Мы хотим понять, как стволовые клетки становятся тканеспецифичными, чтобы управлять этим процессом и создавать клетки для лечения травм и болезней», — сказал Дэвид Умулис, доцент сельскохозяйственной и биологической инженерии в Пердью. «Используя модельный подход, мы можем симулировать эти сложные паттерны сигналинга, чтобы лучше понять процесс».

Умулис создал модель, которая точно предсказывала результаты при вставке различных механизмов обратной связи. Его результаты опубликованы в текущем выпуске журнала Developmental Cell.

«Эмбрионы плодовой мушки — фантастическая система для изучения раннего развития, поскольку отношения "вход/выход" легко наблюдать. У вас есть мутация и результат, но мы обычно не знаем, что происходит в середине», — пояснил он. «Реалистичные модельные эмбрионы предоставили дополнительный инструмент для понимания этого. Модели могут связать причину и следствие».

Исследование изучало эмбрионы плодовой мушки (drosophila) на очень ранней стадии развития, чтобы расшифровать, что контролирует дифференцировку этих стволовых клеток в нужных местах. В процессе клетки приобретают идентичности, которые позже определяют типы тканей во взрослом организме. До того как направленные сигналы диктуют развитие, стволовые клетки способны стать многими различными тканями. Анализ динамических сигналов, получаемых клетками, с помощью моделей может помочь лучше понять, как контролировать подобные клетки в лабораторных условиях.

Умулис заявил, что его модель — своего рода шаблон, позволяющий исследователям проверять множество гипотез до проведения реальных экспериментов. Информация, полученная из реалистичных 3-D моделей, может направлять процесс и способствовать быстрому открытию.

Следующим шагом Умулиса является подсчёт количества молекул, необходимых для инициации специфических клеточных ответов во время эмбрионального развития. Работа финансировалась Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Университетом Пердью.