Масштабные модели

Учёные из Института Вейцмана приблизились к разгадке принципа масштабирования — того, как паттерны развития остаются синхронизированными с размером растущего эмбриона или организма. В новом исследовании, опубликованном в Current Biology, профессоры Наама Баркай и Бен-Цион Шило и аспирант Данни Бен-Цви показали, как работает масштабирование в развивающихся крыльях плодовой мушки, где структура жилок остаётся идеально пропорциональной. Их выводы применимы ко многим процессам развития, включая эмбриональное развитие человека.

Известно, что формирование паттернов зависит от морфогенов — веществ, секретируемых небольшим числом клеток в центре эмбриона и диффундирующих наружу. Концентрация морфогена падает по мере удаления от центра, что даёт клеткам сигнал об их положении и функции. Однако сам по себе морфоген не обеспечивает масштабирование, так как диффундирует с одинаковой скоростью в организмах разного размера.

Ранее исследователи обнаружили у эмбрионов лягушки молекулу, которая синтезируется на краях и диффундирует к центру, также выступая в роли морфогена. Именно её перераспределение позволяет клеткам учитывать размер эмбриона.

Баркай и Бен-Цви создали теоретическую модель «экспансии-репрессии». В ней молекула-«экспандер» с растущего края помогает распределять центральный морфоген, который, в свою очередь, подавляет синтез «экспандера». Эта модель объясняет, как взаимодействие экспансии с края и репрессии из центра создаёт масштабируемый паттерн.

Учёные проверили модель экспериментально на личинках плодовой мушки, у которых паттерн крыла формируется в структурах-дисках. Они измерили распределение морфогена Dpp в личинках разного размера, а затем удалили из дисков молекулу Pentagone, подозреваемую в роли «экспандера».

Результаты показали, что у нормальных мух сигналы Dpp были пропорциональны размеру крыла, как и предсказывала модель. У мух без Pentagone распределение Dpp было одинаковым для крыльев любого размера. Это подтвердило, что Pentagone действительно является молекулой-экспандером, а парадигма «экспансии-репрессии» работает у столь разных организмов, как лягушки и плодовые мушки.

Бен-Цион Шило: «Красота этого исследования — в бесшовном соединении теоретической модели с экспериментальной биологией. Этот свежий подход позволяет искать относительно простую и универсальную парадигму, а не сложные молекулярные механизмы».